Лазерные устройства и традиционное геодезическое оборудование

Интеграция и совместная работа под общим микропроцессорным управлением лазерных устройств и традиционного геодезического оборудования все в большей степени определяют современное лицо последнего. Это хорошо видно на примере продукции корпорации TOPCON.
На первый взгляд использование когерентного, т.е. лазерного, светового луча для целеуказания и локации (измерения дальности) представляется относительно простым. Но это не так, если речь идет о достижении предельных характеристик измерительного оборудования.
При ярком солнечном свете, сильных конвекционных потоках воздуха, при влажности и запыленности (обычная атмосфера строительных площадок) узкий лазерный луч «размывается», пятно от луча на цели (отраженный сигнал) увеличивается в размерах, становится вялым, плохо различимым и даже разорванным на части.Целеуказание и локация становятся неоднозначными (рис. 1, 2, 3).
Все это ограничивает дальность и точность измерений и визирования тахеометрами и лазерными построителями плоскостей. Повышение энергетики излучения не приводит к решению, посколькудопустимая мощность ограничена требованиями безопасности, а также длительностью автономной работы без подзарядки батарей.
Применение светоотражающих призм и светоулавливающих экранов не решает проблему при работе в недоступных местах. Кроме того, правилом становится проведение геодезических изысканий одним оператором, т.е. без «реечника».
Есть ещё одна проблема – отсутствие у лазера «поискового момента», т.е. свойства самоопределения направления. Лазерный луч «нуждается» в некотором «датчике», по сигналам которого он мог бы «найти» линию или, что то же самое, построить плоскость. В строительстве это, прежде всего, датчик вертикали (горизонта), т.е. традиционный «уровень» в современном исполнении.
В результате многолетних поисков специалистам TOPCON удалось создать прецизионный с жидкостным демпфированием, т.е. мало возмущаемый внешними механическими воздействиями, интерференционный датчик вертикали с погрешностью в 1–2 угловых секунды (рис. 4), а также точные и быстродействующие исполнительные микромеханизмы. Использование этих разработок в различных сочетаниях с оптическими и, в частности, лазерными средствами (рис. 5) позволило корпорации создать геодезическое оборудование с уникальными потребительскими характеристиками.

Тахеометры

Новые тахеометры от TOPCON (серия GPT–7000, «импульсная») содержат несколько лазерных устройств.
В отличие от конкурирующих инструментов, измерение дальности производится лазером класса 1 безопасного для зрения невидимого инфракрасного излучения, работающим в режиме временной, а не амплитудной модуляции, как в обычных «фазовых» системах. Применена цифровая обработка детектированных отраженных сигналов, включающая быстрое преобразование Фурье.
Этим обеспечивается предельно устойчивая, производительная и безопасная для окружающих работа тахеометра в самой неблагоприятной атмосфере и в условиях напряженного городского трафика, т.е. при частом прерывании луча, а также автоматическое разделение целевых сцен и находящихся вблизи траектории луча нецелевых объектов, работа по маломерным целям, таким как углы зданий, и по целям с малым углом падения луча (рис. 6). Существенно повышена скорость измерения расстояния и создан входящий в 7000-ю серию «односекундный» тахеометр.
В GPT-7000 встроена новая система фокусировки, которая обеспечивает четкое и стабильное, не расползающееся с расстоянием, пятно. Возможны две фокусировки: «жесткая» – для безотражательных измерений (до 250 метров с погрешностью 5 мм по белой стене) (рис. 7) и «мягкая» (до 7000 м с погрешностью 2–3 мм + 2ppm) – при работе по призмам (рис. 8). Все это новые решения.
GPT-7000 снабжен парой «створных» рубиновых лазеров класса 2, один из которых пульсирующий, что помогает быстрее осуществить прицеливание по призме на больших расстояниях (рис. 9), а также лазерным рубинового свечения пульсирующим целеуказателем, который позволяет осуществить наведение оптики точно в ту точку, по которой будет произведено измерение дальности бесцветным лазером.
Добавим к этому лазерный отвес, поставляемый опционно.

Трубные лазеры

Эти лазерные устройства – относительная новинка в арсенале строителя. Устанавливаемые на некотором проектном уровне, на внутренней или внешней поверхности трубопровода они позволяют задать в пространстве его осевую или параллельную ей линию, т.е. контролировать по азимуту и уклону рытье траншеи, нивелировку подушки и прокладку труб, в том числе и после усадки грунта.
Разработки TOPCON представлены трубными лазерами серии TP-L4. Они имеют прочный корпус с двойной гидроизоляцией, допускающий погружение на сутки в воду на глубину до 5 метров. Предусмотрены: легкая замена NiMH аккумуляторов без извлечения настроенного инструмента из трубы, «спящий» режим и регулировка яркости луча, а так же средства дистанционного управления, например от выходного среза трубы.
Инструменты серии снабжены упомянутыми выше фирменными системами автонивелировки и сканирования (центрирования) SmartLine®, осуществляющими выставку, соответственно, в горизонте и по азимуту с погрешностью не более 10”, (5 мм на 100 метров расстояния), а так же вспомогательным рубиновым лазером в качестве указателя линий отвеса и вертикали.
Для быстрого задания проектного направления в пространстве в диапазоне уклонов от –15% до + 40% и азимутов +/- 15%, по которым и осуществляются все земляные работы и укладка, достаточно установить лазер в трубе, а на другом её срезе – мишень, ввести проектные значения углов и нажать кнопку.
И главное – в TP-L4 использована разработанная корпорацией технология GreenBeam®, дающая лазеры зеленого свечения (длина волны 532 нм), что вчетверо, по сравнению с обычным рубиновым лазером, повысило яркость пятна для зрительного восприятия, особенно при работе на больших расстояниях или при неблагоприятных атмосферных условиях. При работе «над трубой», даже в яркий солнечный день, зеленый луч отчетливо виден на предельных расстояниях до мишени.

Построители плоскостей

Лазерные построители нашли применение при возведении внутренних поверхностей, фундаментов, откосов, уклонов, траншей, а затем в системах директорного и автоматического управления дорожно-строительными машинами (УДСТ), т.е. скреперами, бульдозерами, укладчиками асфальта, экскаваторами.
Построитель плоскости содержит вращающийся лазер, датчик вертикали и отрабатывающий его сигналы микропривод. Чаще всего, это лазер зеленого или рубинового свечения, вращающийся с регулируемой скоростью до 600 об/мин и тем определяющий плоскость. След светового пятна на стенах или других элементах здания или воспринимаемый специальными экранами-приемниками лазерного излучения позволяет определить единую плоскость, возможно для нескольких бригад строителей.
Заслуживающими внимания
нововведениями здесь являются:
подсистемы автофокусировки SmartFocus™, при которых луч всегда сфокусирован на цели, и прецизионного автонивелирования излучающих лазерных устройств, аналогичные тем, которые используются в тахеометрах, а также методики дистанционного управления и автоориентации по специальным мишеням – SmartScan™, SmartLine™ и SmartSlope™, при помощи которых можно устанавливать ориентацию и протяжен-ность строимых плоскостей и линий. С их использованием существенно ускорились операции начального нивелирования и повторного (на следующий рабочий день) воспроизведения горизонтальных плоскостей и уклонов.
Активные полуавтоматические приемники-указатели «лазерной» плоскости серии LS-B, разработанные TOPCON, существенно упростили применение лазерных построителей в индикаторных системах УДСТ. Вместе с тем, одна зона нечувствительности таких приемников в зависимости от режима, в котором они используются, составляет от +/– 6 мм до +/– 30 мм, что не всегда оказывается приемлемым. Примером может служить финишная доводка строительных поверхностей.
На прошедшей в этом году в Мюнхене выставке строительной техники BAUMA 2004 корпорацией TOPCON была впервые представлена новая технология нивелирования горионтальных поверхностей и уклонов, названная «Лазерной зонной технологией» (LaserZone Technology).
Её инструментальную основу составляют подсистема спутникового местоопределения, работающая в дифференциальном режиме по широко известному в геодезии методу RTK, которая позволяет подвижному приемнику GPS определять свои текущие плановые координаты относительно базовой станции с погрешностью в несколько миллиметров, и совмещенного с базовой станцией GPS «зонного» лазерного передатчика PZL-1 – своеобразного построителя плоскости.
Работа PZL-1 организована таким образом, что вокруг этого «центра» в диаметре 600 метров создается пространственная зона лазерного излучения высотой в несколько метров (10 м на радиусе 150 м), несущая информацию, по которой подвижной лазерный приемник PZS-1 (носимый) или PZS-MC (для систем УДСТ) определяет превышение относительно точки расположения построителя PZL-1 с миллиметровой погрешностью (+/– 2,5 мм на 50 м расстояния).
Приемники PZS-1 и PZS-MC могут работать одновременно с четырьмя передатчиками PZL-1. Тем самым протяженность общей непрерывной лазерной зоны для любого количества разнообразных потребителей – от бригад геодезистов до автоматически управляемых дорожно-строительных машин – может быть увеличена до 2400 метров.
Лазерная зонная технология обеспечивает комфортное информационное пространство для одновременного выполнения самых различных геодезических изысканий, земляных работ и контрольных промеров любым количеством исполнителей, использующих разнородную строительную технику. Выгоды при интегральной оценке производительности и экономия на сокращении многих обычно повторяющихся операций могут быть весьма существенными, хотя и будут зависеть от объемов и содержания проекта.
Арсенал строителя постоянно пополняется новыми инструментами для производительного труда.