Fizikai távmérő műszerek és mérőállomások

Átírás

1 Fizikai távmérő műszerek és mérőállomások 1. Bevezetés A fizikai távmérő műszerek megjelenése döntő változást hozott a geodéziai pontmeghatározások, részletes felmérések, kitűzések területén. Korábban a távolságok mérését kerültük a geodéziai feladatok során. Ennek oka, hogy a mérőszalaggal történő hosszmérés nehézkes, gyakorlatban csak néhány száz méterig használható. Az optikai távmérés pontossága pedig nem elégíti ki a részletes felmérések pontosságát. Ezért a klasszikus geodéziában különleges fontosságú volt az iránymérés. Ez alapvetően megváltozott a fizikai távmérő műszerek megjelenésekor. A távolságmérés pontossága elérte az iránymérését és a mérés ideje is megfelelő volt, majd gyorsabbá vált a későbbi fejlődés következtében. A fizikai távmérés során a műszer elektromágneses hullámot bocsát ki. Ezt - a távolság másik végpontján elhelyezett - visszaverő berendezés visszaveri a műszerhez. A műszer veszi a visszaérkező jelet, amit összehasonlít a kibocsátott jellel. A befutott idő (vagy más, ezzel kapcsolatos érték) alapján számíthatjuk a távolságot. A távolságmérés alapegyenletét ez alapján az 2D = v τ formában írhatjuk fel. A D a távolságot jelöli, a v az elektromágneses hullám terjedési sebessége a légkörben, τ a távolság kétszeri megtételéhez szükséges idő ábra. A távmérés alapelve Az elektromágneses sugár a távolságot kétszer futja be, oda és vissza, ezért ezt a távmérési eljárást kétutas távmérésnek nevezzük. A következő fejezetekben külön foglalkozni fogunk a levegő hatásával az idő, illetve az ezzel kapcsolatos mennyiség mérésének módjával. De mindenekelőtt tekintsük át vázlatosan a fizikai távmérés történetét. Az elektromágneses hullámokkal történő távolságmérés rokon a fény terjedési sebességének meghatározásával. A terjedési sebességet a c = s/t összefüggéssel határozhatjuk meg, ha képletben az s utat tekintjük ismeretnek, akkor a c fénysebesség számítható. Ha ismertnek tekintjük a fénysebesség értékét, akkor az út hosszát, a távolságot határozhatjuk meg, és ez már fizikai távmérés. 1

2 Fizeau 1849-ben a fény terjedési sebesség meghatározására végzett kísérlete és a Michelson kísérlet 1887-ben is, módosított értelmezésben távmérésnek is tekinthető ban a finn Väsäilä kidolgozta a fény interferencia elvén működő távolság meghatározásra alkalmas mérés elvét és egy készüléket készített, melyet ma is használnak alapvonalmérésre. A korszerű elektrooptikai távmérés megoldása a svéd Bergstrand elgondolása és kísérletei alapján 1948-ban valósult meg. A műszert az AGA cég 1950-től szériában gyártotta. A gyár az óta is készít Geodiméter néven korszerű elektronikus műszereket. A műszer első formájában még rendkívül nehézkes volt. A műszer mérete és súlya, valamint kezelésének körülményessége csak kevés feladat esetén volt gazdaságos. A folyamatos fejlesztés alapján 1967-ben Magyarországon is megjelentek az AGA Geodiméter-6 típusai. Ennek nyomán a készülő alapponthálózat méréseinél egyre fontosabb szerepet kapott a távmérés. Lényegében ugyanebben az időben folytak kutatások Dél-Afrikában is. Wadley vezetésével kialakult a tellurometer elv, amikor rádióhullámok megjelölésével, modulációjával végezték el a távolság-meghatározást. Wadley tervei alapján készült műszer 1957-ben jelent meg, utána több műszer készült ezen elvek alapján. A tellurométer elv a rádióhullámok modulációjával végzett távmérés alapelvét jelenti. Ez alapján valósult meg Magyarországon a GET-B1 távmérőműszer, melyből több példány készült. Később, a 60-as évek elején a GET-A1 műszer prototípusa is elkészült. A műszerek fejlődésében igen fontos volt a GaAs (gallium arsenaid) felvezető dióda megjelenése, mely közvetlen amplitúdó modulációt tett lehetővé. Ezzel a fényforrással működő távmérőkben feleslegessé válik az egyik korábban legproblematikusabb rész a modulátor. Az áramfelvétel Jelentősen csökken, és ennek következtében jelentős súlycsökkenés érhető el. Az első műszer - mely ezzel a diódával megjelent - a WILD gyár Di10 (Distomat) jelű műszere. Ez kis súlyával alig 10 kg felett, gyors, alig több mint 1 perces mérési idejével jelentős változást hozott a felmérési munkákban. Ezzel a műszerrel vált először lehetővé, hogy a részletpontokat megfelelő pontossággal, gyorsan és gazdaságosan mérjük be poláris mérési eljárással. A műszer 1971 évi megjelenése óta jelentős fejlődésen ment át. Sok műszergyár készít ma már ennél többet tudó, kényelmesebben használható távmérőt. Az elektronika térhódításával a szögmérő műszerekbe is beépítették az elektronikus szögérzékelőket. Ez lehetővé tette az elektronikus távmérők és teodolitok összeépítését, és így létrejöttek az elektronikus tahiméterek és ezek fejlődésével kialakultak a mérőállomások. Az első elektronikus tahimétert 1960-ban mutatták be a római olimpián. A dobószámok eredményeit Reg Elta-14 jelű műszerrel (Zeiss Opton, Oberkochen) mérték meg. A következőkben az elektronikus távmérés legfontosabb tulajdonságaival ismerkedünk meg, és végezetül a mérőállomások mai alkalmazási lehetőségeit fogjuk tárgyalni. 2

3 2. Elektromágneses hullámok terjedése a légkörben 2.1. A légkör energia csökkentő hatása A fizikai távmérők által kibocsátott elektromágneses hullámok a légkörben haladva futják be a mérendő távolságot. A hullámterjedés közege, a levegő nem homogén. A fizikai távmérés a légkör legalsó részében a troposzférában történik, a talaj feletti légrétegben. A mérőhullámok talaj feletti magassága általában néhány méter, ritkán haladja meg a néhányszáz métert, esetleg kilométert. Ebben a levegőrétegben az összetétel lényegében azonos, 78 térfogat százalék nitrogén, 21 térfogat százalék oxigénből áll. A fennmaradó egy százalék hidrogén, széndioxid ózon, porszemek és más különféle szennyező anyagokból áll. A légáramlások következtében ez keveredik, és különböző helyeken más és más értékű jellemzői lesznek az elektromágneses sugárzás terjedése szempontjából. A fizikai távmérők vevőhullámának szempontjából a légkörnek két hatása fontos: a) Légkör hatására bekövetkező energiaveszteség, mely elsősorban a mérhető legnagyobb távolságot befolyásolja. b) A légkör hatása a hullám terjedési sebességére, melyet, mint távolság korrekciót, mint meteorológiai redukciót veszünk figyelembe. Ebben a fejezetben a légkör jel csökkentő hatásával foglalkozunk és a következő fejezetben adjuk meg a terjedési sebesség változásának hatását a távmérés eredményére. A távmérő által kibocsátott elektromágneses sugárzás csak részben érkezik vissza a vevőhöz. A vett jelnek olyan erősségűnek kell lenni, hogy az kiértékelhető legyen. Ha nem éri el azt a szintet, akkor a műszer nem képes megmérni a távolságot és a mérési folyamat leáll, amit a műszer hibaüzenettel jelez. Ezért gyakorlati szempontból is fontos számunkra, hogy ismerjük az erősség csökkenésének okait. A troposzférában történő áthaladás során csak a deciméteres és annál rövidebb hullámok gyengülnek. A jelcsökkenés elsődleges oka a légkörben jelenlévő vízcseppek, melyek köd és esőcsepp formájában vannak jelen. Ha a vízmolekulák elnyelik az elektromágneses sugarakat (különösen a rádióhullámokat), polarizációs áramok jönnek létre, melyek kisugárzást hoznak létre a tér minden irányába. A milliméteres és az infravörös hullámtartományban a víz és az oxigén molekulák az elektromágneses sugárzás hatására rezgő és forgó mozgást végeznek és, ha ez egyezik saját rezgőszámukkal, akkor elnyelik a közölt energiát, átalakítják belső molekuláris energiává. Az infravörös sugárzás esetén a vízgőz, ózon és széndioxid elnyelő hatása is jelentős. Ebben a sávban jelentős a lebegő por, víz és füst részecskékben való szóródás is. A fizikai távmérők esetében fontos szerepe van a vivő hullámhossz megválasztásának. A rádióhullámok (néhány centiméteres, illetve milliméteres hullámok) esetén előny, hogy párában, ködben, esőben is lehetőség van nagy távolság megmérésére (50 km). A kisebb összelátási akadályok (fa lombozata) nem hiusítják meg a távmérést. Nem szükséges szigorú 3

4 összelátás a távolság kezdő és végpontján elhelyezett műszerek között, csak közelítően kell a két műszert egymás felé irányozni. Ezzel szemben hátrányként jelentkezik, hogy a rádióhullámok az elektromosan vezető felületekről visszaverődnek, így több esetben nehéz megállapítani, hogy a közvetlen egyenesen, vagy egy tört út menti távolságot mértük-e. Hátrányként jelentkezik, hogy a két végponton elhelyezendő berendezéseknek közel azonos felépítésűnek kell lenni. Az elektrooptikai távmérők esetén a kibocsátott sugárzás az infravörös (nem látható fény) tartományba esik. Ennek terjedési tulajdonságai jól megegyeznek a látható fény tulajdonságaival. Közvetlen összelátás szükséges a két végpont között. Az infravörös sugárzás jelvesztesége hasonló tulajdonságokat mutat, mint a látható fény. Visszaverő berendezésként elég egy passzív prizma is. A két pont között közvetlen összelátás szükséges, melyet szabad szemmel is meg tudunk figyelni. Így zavarja a mérést, ha a mérési program alatt valami, pl. falevelek, autó, járókelők megszakítják az összelátást. Ha mégis ilyen akadály lépne fel, akkor a mérési program várakozik, és az akadály megszűnése esetén tovább folytatódik. Hosszabb idejű akadályoztatás esetén a mérési program leáll. Hibaüzenettel (nincs jel), és csak újra indítással próbálkozhatunk újból. Az első elektrooptikai távmérők esetén, azz as években, a jel megszakadása igen veszedelmes volt, mert minden fénysugár-szakadás esetén újra kellett kezdeni a mérést. Ez sokszor a mérés elhúzódásához vezetett, több esetben a mérés elvégzésének a lehetetlenségében jelentkezett. A korszerű műszerek esetében csak a mérési program szakad meg és az akadály megszűnése után tovább, folytatódik. Az egyes elektrooptikai távmérőkkel mérhető legnagyobb távolságot a műszerismertetők megadják, ez azonban függ a légköri körülményektől is. A szabad szemmel megfigyelhető látótávolság és a mérhető távolság között az 1. ábrán megfigyelhető összefüggés áll fenn. A műszer hatótávolsága elsősorban a műszer által kibocsátott energia mennyiségétől függ, ezt azonban a gyártó cég határozza meg tőlünk függetlenül. Ezen kívül hatótávolság közvetlen kapcsolatban van a látótávolsággal. A látótávolság az a távolság, amelyről egy megfelelő méretű sötét-fekete tárgyat meg tudunk különböztetni környezetétől. Például mely távolságról 2-1. ábra. A légkör energia csökkentő hatása láthatjuk egy távoli hegy fő vonalait. Az ábra alapján megállapíthatjuk, hogy kedvezőtlen, kellemetlen párás, ködös időben ez jelentősen lecsökkenhet, egyes esetekben - ködös időben - néhány tíz méterre is. Tiszta időben ez kismértékben megnőhet. A műszergyárak a műszer hatótávolságát általában az átlagosan jó látási viszonyokra adják meg, ami 23 km-es látótávolságnak felel meg. Ennél jobb látási viszonyok mellett valamivel nagyobb távolságot is lemérhetünk. Az átlagosnál jobb látótávolság - általában eső után - tiszta páramentes időben jelentkezik. Általában éjszaka 4

5 valamivel jobbak a látási viszonyok. Az éjszakai mérések sok esetben nem pótolják az ezzel járó nehézségeket. A hatótávolság növelhető még a prizmaszám növelésével is. Ez azonban a prizmák egy síkon fekvését követeli meg, és csak a műszergyár típusának és felszerelésének megfelelően növelhető Elektromágneses hullámok terjedési sebessége a légkörben A fény légüres térben meghatározott sebessége ismert. Ezt az értéket 1983-ban az új métermeghatározás CGPM ( Conference Generale des Poinds et Mesures ) az alábbi értékben állapította meg. c = m/s. A légkörben a terjedési sebesség megváltozik és a levegő törésmutatója függvényében értékű lesz, ahol n a levegő törésmutatója. v c = n A törésmutató értéke a levegő főbb jellemzőin kívül függ a hullámhossztól is. n = f (p, t, e, λ ) ahol: p a légnyomás t e λ a hőmérséklet a páranyomás a hullámhossz A légnyomást barométerek segítségével mérjük. A mechanikus barométerek igen kényesek a rázkódásra, de általában pontosabbak, mint az elektronikusak. Mértékegysége a Hgmm (higanymilliméter), vagy a torr, mely érték egyenlő egymással. Másik mértékegység a hpa (hektopascal), vagy más néven mbar (milibar). A két különböző mértékegység között az átszámítást a képlettel végezhetjük el. 760 torr = 1013,25 hpa A hőmérséklet mérése hőmérőkkel történik. A hagyományos higanyos hőmérők még pontosabbak, mint az elektronikusak. Magyarországon a Celsius fok a majdnem kizárólagos egység, azonban angolszász országokban gyakori a Fahrenheit fok használata. Tudományos vizsgálatokban a Kelvin fokot használjuk. C =(5/9)(F -32) F =(9/5)C +32 K =273,15+C 5

6 Ahol a 273,15 az abszolút O fok. Ennek reciprokat gyakran használjuk a meteorológiai számításoknál. 1/273,15=0, A levegő hőmérsékletét mindig azon a helyen kell mérni, ahol a távmérés történik. A páranyomás értéket általában nem mérjük közvetlenül, hanem a száraz és nedves hőmérsékletből számítjuk. A leggyakoribb a száraz és nedves hőmérséklet mérése úgy, hogy két higanyos hőmérőt egymás melletti foglalatba helyezve, egy motor segítségével levegőt áramoltatunk rájuk úgy, hogy az egyik hőmérő higanytartálya mellett, szabadon áramlik el a levegő, míg a másikat egy vizes vattával vesszük körül. Az elsőt nevezzük száraz hőmérőnek, a másodikat nedves hőmérőnek hívjuk. Mérjük mindkét hőmérsékletet. A nedves hőmérőn mért hőmérséklet mindig kisebb, mint a száraz hőmérővel mért, mert a nedves hőmérőnél párolgás van az áramló levegő miatt, és ez hőelvonással jár, ami a levegő hőmérsékletét csökkenti. A két hőmérsékletből számíthatjuk a páranyomás értékét a Sprung képlet szerint az képletekkel, ahol k α t e= Ew ( t tw) p és log E w = 755 β + t w + γ e E w t t w p a páranyomás torr-ban a telített levegő páranyomása torr-ban, a száraz hőmérséklet (Celsius fok) a nedves hőmérséklet (Celsius fok) a légnyomás (torr) és a további állandók (víz feletti értékre vonatkozóan) k = 0,5 α = 7,5 β = 237,3 γ = 0,6609 az E w 10 alapú logaritmusát a Magnus-Tetens empirikus képlete alapján számíthatjuk, a fenti képlet második részével. A levegő törésmutatóját két lépésben határozhatjuk meg. Először az elektrooptikai hullám hossza alapján számítjuk a levegő törésmutatóját cs 10 = Ncs = λ ( n 1) λ összefüggéssel. Az elektrooptikai távmérőkben használt infravörös fény hullámhossza 0,9 µ m. Ez a levegő ún. csoport törési indexét adja meg, mert a kibocsátott elektromágneses sugárzás nem teljesen homogén, vannak kismértékben eltérő hullámhosszú sugarak is (lényegében több szín keveréke). A megadott összefüggés t =0 C, p = 760 torr és száraz levegőre vonatkozik 0,03 % széndioxid tartalom mellett. Ezt nevezik normál atmoszférának. 6

7 A normál atmoszférára vonatkozó törésmutatót ezután át kell számítani a pillanatnyi hőmérséklet (t C ) légnyomás (p torr) és páranyomás (e torr) ismeretében a jelenlegi levegőre a N Ncs p = e 1 αt αt összefüggéssel. Az előbbi két képlet Barrell és Searstól származik 1939-ből. Ezt az alábbi formában szoktuk felírni, a csoport törésmutató értékének beírásával: = 300, p e N = 0, αt αt α A Nemzetközi Geodéziai és Geofizikai Szövetség (IUGG) 1960 évi Helsinkiben tartott ülésén ajánlotta alkalmazni. Más összefüggések is ismertek ezek kiszámítására. Például Edlén ban, majd 1966-ban adott hasonló képleteket Owens más szerkezetű összefüggését 1967-ben adta meg. A képletek csak igen kis eltérést mutatnak a gyakorlatban. Azonban ezek csak az együtthatók tapasztalati értékében jelentenek némi változást, a törésmutató index értéke csak kis mértékben, 0,1-0,2 értékkel térnek el a Barrell-Sears összefüggéstől. A megadott összefüggések segítségével csak a levegő pontbeli (a mérés helyének megfelelő) törésmutatóját tudjuk meghatározni. A mért távolság vonalán azonban változik a törésmutató értéke. A távolság számításában azonban az átlagos törésmutatóra van szükségünk. Ezt úgy határozhatjuk meg, hogy a távolság mentén, több helyen mérjük a légkör állandóit. Általában a leggyakoribb esetekben 1-2 km távolságig elegendő a távolság egyik pontján a műszer mellett mérni a távolságot. Szabatos távmérés (milliméter és ez alatti középhiba esetén), valamint 1-2 km felett mindkét ponton mérjük a meteorológiai adatokat, és ha lehetőségünk van, közben is. A meteorológiai adatok megmérésének hibája meghatározza a törésmutató hibáját. A parciális deriváltak képzése alapján az alábbi összefüggést írhatjuk fel a törésmutató hibájára. ez azt jelenti, hogy dn = 04. dp 10. dt 005. de= 04. dp 10. dt 006. dt w Mennyiség 1 egységgel való hibámérésének hatása A légnyomás 1 Hgmm nagyságú hibája esetén A hőmérséklet 1 C nagyságú hibája esetén A páranyomás 1 Hgmm nagyságú hiba esetén A nedves hőmérséklet 1 C nagyságú hibája esetén A hiba hatása a távolságra A távolság hibája 0,4 mm kilométerenként A távolság hibája 1,0 mm kilométerenként A távolság hibája 0,05 mm kilométerenként A távolság hibája 0,06 mm kilométerenként Ez azt jelenti, hogy az együtthatók a mért mennyiség 1-egységnyi változása esetén megadják a távolság hibáját mm/km egységben. 7

8 Tekintettel arra, hogy a páranyomás és a nedves hőmérséklet csak igen kis mértékben befolyásolja a mért távolságot, ezért ezt a gyakorlatban általában nem szoktuk mérni. A fenti képletet egyszerűsíthetjük p ppm= t p Hgmm t C o Különböző műszerek esetén a képlet első tagja változik, attól függően, hogy a gyártó cég mit tekint az átlagos levegő törésmutató indexének. A mai műszerek már számítják a redukció értékét, ha beállítjuk a hőmérsékletet és a légnyomást. Korábban táblázatok és nomogrammok szolgáltak a ppm érték meghatározására. A képlet első tagja változik, attól függően, hogy a gyártó cég mit tekint az átlagos levegő törésmutatónak, különböző műszerek esetén más és más érték. Néhány jellemző adatot az alábbiakban adunk meg. Geodiméter 275 Nikkon 275 Leica (Wild) 281,8 Pentax 279,75 Sokkia 278,96 Topcon 279,66 Zeiss (Oberkochen) 255,1 Az adatok műszerenként is változhatnak 8

9 3. A geodéziai távmérőkben alkalmazott távmérési eljárások Távolságmérés fázisméréssel A fizikai távmérőkben leggyakrabban alkalmazott távmérési módszer, hogy a műszer által kibocsátott elektromágneses hullám visszatérve a reflektorról, mérjük a kibocsátott és visszaérkező hullám fázisszögét ábra. Távmérés fázisméréssel Az ábra alapján a távolság a λ λ 2D= m λ+ λ D= formában írhatjuk fel, ahol D m λ λ a mért távolság az egész hullámok száma a mérőhullám hullámhossza λ=v/f a maradék hullám hossza, ami a mért ϕ fázisszögből fejezhető ki λ=( ϕ/2π)λ A fázisszög mérése általában 1/5000-1/10000 pontossággal végezhető el. Ahhoz, hogy a geodéziai gyakorlatban megkövetelt néhány milliméter, centiméter pontosságot elérhessük a λ/2 hullámhossz felét az ún. alapléptéket 10 m-ben szokás felvenni. A mérés elvében igen egyszerű, problémát elsősorban az m egész hullámok számának meghatározása jelent. Ezt már további λ ; λ ; λ 2 3 n hullámhosszon végzett mérés segítségével állapítjuk meg. A 10 méteres alapléptéken mért távolság mellett a távolságnál nagyobb hullámhosszú λ 2 >2D -vel is mérünk. 2D= m λ + λ és 2D= λ

10 amiből az egész hullámok száma kifejezhető λ λ 2 1 m 1 = λ1 Ez a megoldás azt jelenti, hogy a távolságot először lemérjük egy 10 m félhullámhosszú hullámmal, ebből határozzuk meg a távolság m, dm, cm és mm jegyeit. A második λ 2 /2 = 100 m hullámmal mérve a távolságot meghatározhatók a 10 méterek száma. Egy 1000 m félhullámhosszal mérve a távolságot a 100 méterek számát határozhatjuk meg. És így tovább. A hullámok számának a mérhető távolság nagysága szab határt. A műszerekben a második és a további frekvenciák pontossága általában kisebb, mint az alaphullámé. Ezért a korábbi műszereknél az egymást követő hullámhosszak értéke az előző 10-szerese volt. A mai műszereknél kevesebb hullámot használnak és ezek az előző 100-szorosai, így a további hullámok alapján két számjegyet határoznak meg. Az egyes hullámokat nem közvetlenül állítják elő, hanem két hullám különbségéből hozzák létre. Ennek alapgondolatát egy óra hasonlattal mutatjuk be. A hagyományos órák 12 óra megmérésére alkalmasak. 12 óra után újra kezelik a számlálást. Ilyen órával a (fél) napok számát közvetlenül nem tudjuk mérni. Ezt úgy érhetjük el, hogy két órával végezzük a mérést. Az első óra pontosan jár és mutatja a (fél) napokon belüli időt. A másik órát úgy állítjuk be, hogy 12 óránként egy fél órát siessen. Ekkor a napok számát a következőképpen 'állapíthatjuk meg: a pontos időt a félnapon belül leolvassuk az első óráról. A (fél)napok számát úgy számítjuk, hogy képezzük a második óra és az első óra által mutatott idő különbségét. Ez elosztva fél órával, megkapjuk az eltelt fél napok számát Távolságmérés frekvencia méréssel A távolság-meghatározást ma több műszerben a frekvencia mérésével oldják meg. A távolságmérés alapképletében 2D m λ 1 1 = + λ1 formában fejezzük ki, ahol λ =v/ f beírása után azt láthatjuk, hogy a hullámhossz 1 1 kifejezhető a frekvenciával is. A mérés úgy történik, hogy a műszerben változtatjuk az f 1 frekvenciát (és ezzel együtt a λ 1 hullámhosszt addig, míg a maradék távolság el nem tűnik, azaz nulla nem lesz. Ekkor a távolság 2D m1 = λ lesz. 1 Ekkor leolvassuk az f f 1 frekvenciát. A mérést úgy folytatjuk tovább, hogy a frekvencia folyamatos változtatásával ismét elérjük a következő fázis-egyenlőségű helyzetet. 10

11 2D= m λ és m = m ekkor ismét leolvassuk a frekvenciát, az f 2 értéket. A három egyenletből írhatjuk Amiből az m ismeretlent 1 v 2 D = m1 λ 1 = 1 λ f ( m + 1) vagy 2D = m = ( m 1) 1 v f 2 m 1 = λ λ 2 λ 1 2 = f f2 f 2 1 képlettel fejezhetjük ki, ahol m1 egész szám. Ebből a D távolság összefüggéssel fejezhető ki. λ λ 2D = λ λ 1 2 = f 1 f A távmérő műszerek vázlatos felépítése A műszer felépítését csak vázlatosan mutatjuk be a 3.2. ábrán ábra. A távmérő műszerek vázlatos felépítése 11

12 Az egyes szerkezeti részek fontosabb szerepét ismertetjük a következőkben. A sugárforrás állítja elő a vivőhullámot, melyre a modulátor ülteti rá a mérőjelet. A mai műszer esetében a sugárforrás galliumarsenaid (GaAr) dióda, melyet közvetlenül modulálhatunk a mérőjellel. Ez az egyszerű modulálási lehetőség tette megvalósíthatóvá a korszerű, kis súlyú távmérőket. A mérőjel generátor mérőjelét egyik úton felhasználjuk a vivőhullám modulálására, a másik úton pedig a fázis-összehasonlítás érdekében vezetjük a fázisméréshez. A modulátor által létrehozott modulált hullámot az adóoptikán keresztül bocsátjuk ki a távolság végpontja felé. Az adóoptikának lehetőség szerint kis nyílásszögűnek kell lenni. Ezzel elérhetjük, hogy a hullámenergiának minél nagyobb részét használjuk fel visszaérkezés után. A távolság végpontján elhelyezett reflektor feladata, hogy az érkező hullámokat visszaverje, 180 fokkal megtörve visszairányítsa a műszer felé. A vevőoptikát ma már általában úgy építik fel, hogy tengelye azonos legyen az adóoptika tengelyével. A vevőoptika felfogja a visszaérkező hullámokat, és a fotódetektorra vezeti, mely után lévő erősítő nemcsak a vett jelet erősíti, hanem leválassza a mérőjelet a vivőhullámról. Az adott és a vett jel mérőhullámának összehasonlítását a fázismérő végzi el. Az ezután lévő kiértékelő egység számítja a távolságot. Ma már ez nemcsak a feltétlen szükséges számításokat végzi el, hanem különböző redukciók, elsősorban a meteorológiai redukcióval történő javítást is elvégzi. A meghatározott távolság egyrészt a kijelzőre kerül, másrészt digitális formában is rendelkezésükre áll. Az elmondottakon kívül még néhány sajátosságra kívánjuk felhívni a figyelmet. A fotódetektor védelmet igényel. Ha túlságosan sok jel érkezik vissza, akkor a fotódetektor elé egy szürke ék lép be, mely lecsökkenti a vett jel energiáját. Egyébként a fotódetektor élettartama lényegesen csökkenne. A fázismérő nulla helyzetének a beállítására szolgál a belső fényúton való mérés. Ez alatt azt kell érteni, hogy az adott jelet közvetlenül a vevőre vezetjük át, és megmérjük a műszeren belüli távolságot. Ezt az értéket tekintjük 0 távolságnak. Nem szóltunk eddig még a visszaverő berendezésről, melyet a távolság másik végpontján kell felállítani. Az elektrooptikai távméréskor passzív visszaverő berendezést használunk. Ez általában egy prizma, mely a fénysugarakat térben 180 o -kal téríti el. Ezt úgy valósítják meg, hogy egy üvegprizmát hoznak létre, melynek három egymásra merőleges felülete van. A prizma alakját az alábbi ábra mutatja be ábra. A prizma Egy derékszögű üvegtestet testátlója mentén elvágunk. Az így létrejövő üveget készítik el, és megfelelő foglalás után építik be a prizma házba. A prizma sarkait levágják, hogy kedvezőbb alakja legyen. A prizma esetén fontos követelmény, hogy a kocka eredeti három oldala szabatosan merőleges legyen, és mindhárom oldal sík legyen. A prizma anyagának jó minőségű optikai üvegből kell lenni. Emiatt a prizmák általában drágák. A régebbi prizmákat, melyeket más, ma már nem használt műszerekhez készítettek is felhasználunk a mérések során. A prizmák elöregedő alkatrészt nem 12

13 tartalmaznak és más távmérő esetén is felhasználhatók. Ez esetben mindig figyelembe kell venni, hogy a prizma összeadó állandója megváltozik. Az üvegprizmák drága volta miatt, egyéb megoldások is kialakultak az üvegprizmák egyszerűbb, olcsóbb pótlására. Az első megoldás, hogy a prizmákat olcsóbb anyagból készítik el. Ez vezetett el a műanyag prizmák használatához. A műanyag prizmákat a "macskaszem" alakjának megfelelően készítik. Formájukat tekintve 3-5 mm élhosszúságú kockasarkokból tevődnek össze. Az egész rendszer átmérője 3-5 cm. A műanyagprizmák általában elől foncsorozottak. Előnyük, hogy olcsóbbak, mint az üvegprizmák, de a műszer hatótávolsága jelentősen csökken, és általában nem haladja meg a néhány száz métert. Másik megoldás a visszaverő fóliák alkalmazása. Ez esetben egy papír vagy műanyag alaplapra műanyag gömböket visznek fel. Ezek közét gyantával kiöntik. Az ilyen visszaverőket gyakran használják közúti jelzőtáblák esetében, de sokszor előfordul kerékpárokon, ruházaton a közlekedési biztonság érdekében. Ezek a lapok a ráeső látható fényt erősen visszaverik. Használhatók távolság mérésére is, azonban figyelembe kell venni, hogy a mérés hatótávolsága ebben az esetben is jelentősen lecsökken, egy-két száz méterre. Ezen kívül több műszer esetében be kell állítani, hogy fóliára mérjük a távolságot. A mérés, mérőfelszerelés-állandója ebben az esetben is megváltozik. Nem minden típusú műszer képes fóliára mérni. Ezeket a más célra készített fóliák használhatók geodéziai feladatok megoldására is, azonban csak a rövid távolságok esetén néhány tíz méterig. A sötétebb színűek kedvezőtlenebbek, legjobban a világos színűek használhatók. Hasonló fóliákat a műszergyárak is késszítenek. Ezek fehér, ezüstös színűek, 2-3 cm oldalméretű négyzetek, rajtuk irányzásra alkalmas jelet nyomtatnak. Jobban használhatók, mint a más célra készítettek, áruk azonban lényegesen drágább ábra Geodéziai fólia Egyes különleges műszerek képesek távolságot mérni közönséges falfelületre is. Ebben az esetben semmilyen külön visszaverőeszközre nincs szükség. Ez különleges előnyt jelent hozzá nem férhető távolságok esetén. Ez azonban jelentősen csökkenti a mérhető távolságot. Ez általában csak lézer vivőhullám esetében valósítható meg. A mérhető távolság a több tízméteres, esetleg a százméteres tartományba esik. Ezek a műszerek képesek az irányzáshoz viszonyított o alatti felületről is távolságot mérni. Egyes műszerek esetén be kell állítani, hogy fóliára mérünk távolságot. Korszerűbb műszereknél nincs szükség ilyen beállításra. Ezeknek a kiegészítő visszaverőknek igen fontos szerepük van a mérnökgeodéziai munkák esetében. 13