Cursuri Masuratori Electron Ice de Distanta

download Cursuri Masuratori Electron Ice de Distanta

of 31

Transcript of Cursuri Masuratori Electron Ice de Distanta

MASURATORI ELECTRONICE DE DISTANTA. Generalitati. Disciplina se bazeaza pe determniarea distantelor geodezice prin masuratori terestre, folosind unde de lumina in spectrul electrooptic sau unde radar. Aceste distante rezulta prin intermediul timpilor de propagare a acestor unde de la emitator la receptor. Acesti timpi de propagare se pot determina cu precizii unor 10 (la -12) secunde, ceea ce conduce la determinarea distantelor cu precizii milimetrice sau submilimetrice. Acest tip de masuratori a generat constructia unui nou tip de retele geodezice denumita trilateratie, care presupune determinarea punctelor geodezice de pe suprafata Pamantului bazate numai pe masuratori de distante (fata de triangulatie, care presupune masuratori de distante si unghiuri). La baza trilateratiei sta configuratia elementara de tip triunghi cu toate cele 3 laturi masurate. Plecand de la aceasta configuratie elementara se pot dezvolta retele de sprijin ca si in metoda clasica a triangulatiei, cu deosebirea ca unghiurile rezulta prin calcule geometrice din laturile masurate. Avantajele acestei metode: - Distantele pot fi masurate in orice conditii de vizibilitate - Nu necesita piramide geodezice de mare rigiditate - Masuratorile sunt putin subiective, nedepinzand de acuitatea operatorului Dezavantajele metodei constau in faptul ca ea este conditionata aproape in exclusivitate de distributia parametrilor atmosferici: presiune, temperatura si umiditate, care influenteaza viteza de propagare a undelor emise de aparat. Principiul metodei. O unitate electromagentica notata cu "G" generator de unda; montata in capatul A al distantei de masurat emite un fascicul de lumina sau unde radar catre un receptor notat cu "R" instalat in punctul B care reprezinta capatul distantei de masurat. Receptorul are o functie pasiva in cazul undelor electrooptice in sensul ca doar reflecta inspre generator unda

emisa de catre acesta. In cazul microundelor radar receptorul are o functie activa, el transforma mai intai semnalul receptionat si apoi il returneaza generatorului. Distanta dintre A si B este egala cu V * tao; unde V este viteza undelor si este raportul dintre c/n, unde c - viteza luminii in vid si n - indicele de refractie si este functie de temperatura, presiune si umiditate; tao - timpul de propagare care rezulta in mod direct prin intermediul diferentei de faza dintre modulatiile transmise si cele receptionate. Clasificarea aparatelor pentru masuratori geodezice: Dupa mijlocul purtator al informatiei de masurare: - Aparate cu unde radar numite si radiotelemetre - Aparate cu unde de lumina numite telemetre electrooptice Dupa metoda de masurare a distantei: - Telemetre cu impulsuri si telemetre fazice Dupa tipul modulatiei: -Aparate cu modulatie cu frecventa - Aparate cu modulatie cu amplitudine - Aparate cu modulatie a planului de polarizare Dupa puterea rezolutiei: - Aparate cu rezolutie centimetrica - Aparate cu rezolutie milimetrica - Aparate cu rezolutie submilimetrica Dupa destinatie: - Aparate pentru masuratori de distante mici in scopuri topografice sau ingineresti - Aparate pentru distante geodezice propriu-zise - Aparate pentru distante cosmice - Aparate pentru masuratori speciale in scop stiintific Lungimea drumului optic, lungimea rectilinie dintre 2 puncte de masurat. traiectoriei si distanta

In cazul masuratorilor geodezice prin unde atmosfera terestra actioneaza ca un mediu anizotrop, aceasta in sensul ca indicele

de refractie notat cu "n" depinde de directia de propagare, in consecinta traiectoria undelor emise de aparat nu vor fi linii drepte, ci mai curand curbe care satisfac principiul timpului minim al lui Fernet (tao = min). Abaterea traiectoriei de la linia dreapta este conditionata de curbura straturilor atmosferice care inconjoara Pamantul si de anomaliile in distributia parametrilor atmosferici din mediul de propagare. Timpul total de propagare intre punctele A si B rezulta prin integrarea de la A la B a acestei variatii (Tau = integrala de la A la B dTau). Concluzie. Elementul fundamental care sta la baza masuratorilor geodezice prin unde este timpul necesar semnalului de masurare sa parcurga distanta cautata. In principiu acest timp este practic masurabil instrumental si deci putem obtine precizia pe care o dorim.

Parametrii atmosferici care influenteaza propagarea undelor electromagnetice. Atmosfera terestra constituie mediul de propagare al undelor electromagnetice sau microunde sau unde de lumina folosite de diverse tipuri de aparate cu ajutorul carora se determina distantele. Acest mediu este practic neomogen, starea lui fiind determinata de valorile momentane a 3 parametrii: presiune, temperatura si umiditate. Acesti 3 parametrii influenteaza viteza de propagare a undelor prin intermediul indicelui de refractie. Acesti 3 parametrii variaza in timp si spatiu cu mentinerea lor intre anumite limite. Presiunea atmosferica. Este o forta care reprezinta efectul aerului care apasa asupra Pamantului. Aerul atmosferic reprezentand o greutate, inseamna ca straturile superioare de aer apasa asupra celor inferioare comprimandu-le. De aici deducem ca pentru stabilirea echilibrului forta elastica a moleculelor dintr-o masa de aer trebuie sa fie egala cu apasarea pe care o suporta. Presiunea

atmosferica la un nivel oarecare reprezinta greutatea coloanei de aer de sectiune unitara si cu inaltimea masurata de la nivelul respectiv pana la partea superioara a atmosferei. Notand cu "P" presiunea si cu "F" forta cu care apasa aceste mase de aer se poate scrie relatia P=F/S (dyne/cm2). Se stie din experienta lui Toricelli ca presiunea exercitata de atmosfera pe o suprafata de un cm2 la nivelul marii este in stare sa echilibreze o coloana de mercur de aceeasi sectiune si inaltime de 760mm in urmatoarele conditii: temperatura 0C; altitudinea 0m; latitudinea 45grade si acceleratia gravitationala 980,665 cm/s2. Din aceste conditii rezulta presiunea la nivelul marii "P0"= 1kgf/cm2=1033,22 grf/cm2. Valaorea 1kgf/cm2 poarta denumirea de o atmosfera (1atm=10 m coloana apa). Unitati de masura. Torr-ul (1mm coloana de mercur) - reprezinta presiunea capabila sa echilibreze o coloana de mercur cu sectiunea standard de 1cm2 si inaltimea de 1mm. 1 torr = 1 mmHg = 1.3595 gf/cm2. Barya (unitate folosita in sistemul CGS) - reprezinta presiunea exercitata de o forta de o dyna pe o sectiune de 1cm2. 1 barya = 1 dyna/cm2 = 1 gf/980.665 /cm2. Barya fiind o unitate prea fina de aproximativ 1000 ori mai mica decat torr-ul in practica se mai utilizeaza o alta unitate de masura si anume bar-ul, echivalent cu aproape 1 kgf. 1 bar = 1000000 dyne/cm2 = 1019 gf/cm2. Variatiile presiunii atmosferice. Intr-un punct de pe suprafata Pamantului presiunea atmosferica nu ramane o valoare constanta in timp. Schimband locul de observatie intalnim de asemenea variatii ale presiunii atmosferice mai mici sau aproape neglijabile in sens orizontal dar deosebit de pronuntate pe verticala, descrescand odata cu cresterea altitudinii cu aproximativ 1 mbar/ 10 m. Instrumente de masurare a presiunii. Barometrul cu mercur - bazat pe principiul echilibrarii presiunii atmosferice prin greutatea unei coloane de mercur.

Barometrul aneroid - functioneaza pe principiul mecanic al deformatiei unei capsule vidate sub influenta variatiei presiunii atmosferice. Barometrul electric - este un barometru aneroid cu afisare numerica data de un dispozitiv digital cu citire directa de 0.1 mbar. Altimetrul - este un barometru aneroid care pe langa scara presiunilor gradata in mmHg are si o scara care ne indica valoarea altitudinii deasupra nivelului marii. Hypsometrul (termobarometru) - functioneaza pe principiul fizic al dependentei temperaturii de fierbere a apei distilate de presiunea atmosferica. Altimetrul interferential - este un barometru aneroid la care deformatiile capsulei vidate sub influenta presiunii se masoara cu foarte mare precizie, utilizand interferenta luminii in pana optica de vid. Temperatura aerului. Principala sursa de caldura pentru Pamant este Soarele. Pamantul primeste de la Soare in fiecare minut 24*10 la 18 calorii. Ajunsa la suprafata Pamantului, energia radiata de Soare este supusa unor transformari, si anume, o parte din ea este inmagazinata de sol si transformata in energie calorica iar o alta parte este reflectata in atmosfera. Prin intermediul energiei calorice inmagazinata in sol, Pamantul devine si el o sursa de caldura, o parte din ea fiind folosita in procesele fizico-chimice din sol iar o alta parte este cedata sub forma radiatiilor calorice stratului atmosferic din imediata vecinatate a solului. Straturile inferioare ale atmosferei au un regim termic influentat de transportul acesteia de la un strat la altul prin urmatoarele procese: 1. Schimbul de caldura turbulent convectiv si advectiv 2. Transformarile fizice ale apei 3. Schimbul molecular de caldura 4. Emisia si absorbtia radiatiilor infrarosii

Primele doua dintre aceste procese sunt decisive pentru transportul caldurii in aer. Variatiile presiunii atmosferice sunt de 2 feluri: - Variatii periodice, sunt de 2 feluri: diurne si anuale/sezoniere - Variatii accidentale. Variatia diurna - in timpul zilei scoarta terestra se incalzeste datorita fluxului de radiatie solara iar noaptea se raceste prin asazisa radiatie nocturna. In orice punct de pe suprafata Pamantului temperatura aerului sufera variatii rapide cu inaltimea in imediata vecinatate a Pamantului, iar odata cu cresterea altitudinii ea scade treptat. Unitati de masura. Scara Fahrenheit - foloseste ca reper punctul de topire al ghetii pure (+32*F) si punctul de fierbere al apei distilate (+212*F). Intervalul dintre aceste 2 puncte este de 180 de parti egale numite grade Fahrenheit (F). Scara Celsius - denumita si scara termometrica centesimala care foloseste aceleasi 2 repere, 0*C respectiv 100*C. Fiecare interval = 1*C. Scara Kelvin - are ca reper de origine punctul triplu al apei si care se mai numeste si scara temperaturilor absolute. Umiditatea aerului. Vaporii de apa care se gasesc in atmosfera imprima aerului atmosferic o anumita stare de umiditate care variaza functie de anotimp, latitudine geografica, modul de acoperire al solului si alti factori locali. Umiditatea atmosferica reprezinta factorul cel mai dificil pentru masuratorile geodezice deoarece presiunea vaporilor de apa din atmosfera influenteaza cel mai sensibil viteza de propagare a microundelor. Instrumente de masurare a umiditatii aerului. - Instrumente pentru masurarea presiunii vaporilor denumite psihometre

- Instrumente pentru masurarea umiditatii relative denumite higrometre Parametrii atmosferici care influenteaza masuratorile electronice prin unde se pot masura direct cu instrumente de masurat, le poate furniza aparatul de masurat dar pentru masuratori la distante mari ele trebuiesc furnizate si corelate cu valori obtinute de la institutii specializate de la centrele meteorologice din zonele respective. Metode de determinare a distantei rectilinii din lungimea drumului optic. Determinarea distantei rectilinii din lungimea drumului optic obtinuta instrumental ca produs dintre viteza undelor electromagnetice in vid si timpul de parcurgere a traiectoriei de catre semnalul de masurare constituie problema fundamentala a masuratorilor geodezice prin unde. Rezolvarea acestei probleme nu este posibila fara cunoasterea campului scalar al indicelui de refractie "n(xyz)" care conditioneaza atat viteza de grup al acestor unde in fiecare punct de pe traiectorie cat si forma curbei respective. Deoarece atmosfera terestra este un mediu optic neomogen, traiectoria pe care o parcurg aceste unde poate sa se abata foarte mult de la distanta rectiline. Abaterile mari de la traiectoria rectilinie se intalnesc in cazul distantelor geodezice mari, cand curbura Pamantului si deci paturile atmosferice influenteaza sensibil aceasta traiectorie. Metodele de determinare a distantei rectilinii din lungimea drumului optic vor fi in functie de distantele masurate, deci metode cu sau fara luarea in considerare a formei traiectoriei. 1. Metoda indicelui de refractie mijlociu. Se aplica in cazul distantelor mici cu valori aproximative de 5-6 km, unde media aritmetica simpla sau ponderata a indicilor de refractie determinati la capetele distantelor de masurat, eventual

in puncte intermediare conduce la o formula de felul urmator,L=sigma/n(barat), unde n (barat) este indicele de refractie mijlociu calculat ca medie ponderatal; n(barat)=[pn]/[p] unde "pi" sunt ponderile valorilor "ni" in punctele de observatie respective. La aparatele moderne avem un indice de refractie asumat si cu ajutorul caruia lungimea drumului optic adevarat "sigma" se determina cu relatia "L0*n0" unde "L0" este valoarea afisata de aparat. In practica, cunoscand indicii de refractie in capetele distantei de masurat nA, nB; n(barat/mediu)=nA+nB/2. Acest lucru este posibil deoarece in cazul distantelor mici curbura Pamantului si deci paturile atmosferice care-l inconjoara nu influenteaza sensibil forma traiectoriei, aceasta fiind practic rectilinie, componenta atmosferica din eroarea totala a distantei fiind cauzata de valoarea erorii indicelui de refractie mijlociu. Se intalnesc 2 cazuri distincte ale erorii indicelui de refractie local, si anume: a) Cazul microundelor din domeniul centimetric si milimetric. Pentru analiza componentei atmosferice in cazul microundelor se considera formula dedusa de Essen - Froome. Cercetand eroarea a indicelui de refractie mijlociu "(dnM)" in diferite puncte si diferite conditii atmosferice se constata ca marimile temperaturii "T" si a presiunii "p" sunt cantitati masurabile direct iar marimea valorii evaporatiei, respectiv presiunea vaporilor de apa "e" este o marime care depinde de "p" si "T" pentru care se foloseste formula lui Sprung. Introducand aceasta relatie a presiunii vaporilor de apa in formula lui Essen - Froome, indicele de refractie local in cazul microundelor devine o valoare care depinde doar de presiunea atmosferica si temperatura, deci de valori masurabile direct "dP, dt, dt1". Pentru erori ale presiunii, respectiv temperaturii "dP, dt, dt1", eroarea indicelui de refractie "dnM" devine o functie de doua variabile: temperatura si umiditatea aerului (prin intermediul temperaturii "t1"a rezervorului umed indicat de catre psihrometru. Concluzia este ca in cazul microundelor eroarea indicelui de refractie local si deci

componenta atmosferica din eroarea relativa totala a distantei de masurat creste sensibil odata cu cresterea temperaturii si umiditatii aerului, ajungand la o temperatura de 30*C, respectiv o umiditate a aerului de 50% la o valoare de 10*10 la 6-a, care echivaleaza cu 1cm/km a erorii unitare. Punctul optim pentru precizia maxima a erorii indicelui de refractie se obtine in jurul valorii de -10*C. b) Cazul undelor de lumina din domeniul vizibil si infrarosu. Analiza componentei atmosferice in cazul indicelui de refractie mijlociu pentru aceasta situatie se reduce la determinarea erorii indicelui de refractie local nL in diferite conditii de presiune si temperatura, unde lamda=0,6328 microni in cazul gazului He-Mo (heliu-molibden), formula indicelui de refractie local devenind (>vezi curs formula). Inlocuind in aceasta formula presiunea vaporilor cu formula data de Sprung, valoarea erorii indicelui de refractie este o functie de presiune, temperatura si t1. Se constata ca pentru aceleasi valori unitare ale erorii parametrilor d(P,t,t1), eroarea indicelui de refractie este de cel putin 6 ori mai mica decat in cazul microundelor, chiar si in situatia cea mai favorabila, adica la t=-10*C. Adica la t=30*C si umiditatea 50%, dnL=1*10la -6, respectiv 1mm/km, de 10 ori mai mica decat cea corespunzatoare indicelui de refractie a microundelor la aceeasi temperatura. 2. Metoda indicelui de refractie integrat. Este specifica distantelor geodezice mari masurate cu ajutorul undelor de lumina laser sau a microundelor. In aceasta situatie traiectoria undei de lumina de forma parabolica se poate aproxima printr-un arc de cerc cu raza ro=R/K, lucru care ne permite sa determinam valoarea indicelui de refractie n funcite de ns ca o functie de lungimea arcului respectiv. Valoarea indicelui de refractie integrat se exprima ca un raport de felul n(barat)=sigma/SAB. Cunoscand functia ns, prin integrare se va ajunge la expresia de calcul al indicelui de refractie integrat cu

ajutorul caruia se determina SAB ca un raport dintre aceste 2 valori. SAB=sigma/n(barat). In expresia de calcul a indicelui de refractie integrat intervine lungimea "SAB" ca limita superioara a acestei traiectorii, valoare ca trebuie aproximata. Intreaga problema se reduce la aflarea functiei n(s). Acest lucru este posibil daca in capetele distantei de masurat se cunosc cotele HA, respectiv HB. Exista mai multe metode de determinare a indicelui de refractie integrat, si anume: a) Cu ajutorul unghiurilor de incidenta calculate, care la randul ei este aplicabila in 2 moduri: - Prin intermediul coeficientului de refractie atmosferica "k". Este metoda cea mai usoara de aplicare in practica deoarece se bazeaza pe observatii locale usor masurabile nA,nB,sigma. Problema se rezolva prin intermediul unui sistem neliniar de 3 ecuatii cu 3 necunoscute din care una "S" - lungimea drumului, este necunoscuta principala iar "k", respectiv valoarea unghiurilor de incidenta zita A, zita B (E) devin necunoscute auxiliare - Prin intermediul gradientului vertical care caracterizeaza campul scalar al indicelui de refractie atmosferica. Aplicatii geodezice. Reducerile geometrice ale distantelor masurate prin unde. Din cele prezentate anterior se observa ca esenta fizica a masuratorilor geodezice prin unde prin care se determina lungimea drumului optic corespunde traiectoriei undei purtate. Plecand de la acest element primar pana la sistemul de referinta in care se efectueaza calculele care poate fi suprafata elipsoidala, suprafata sferica, planul de proiectie sau orice alt sistem de referinta adoptat sunt necesare o serie de reduceri cu caracter combinat fizico-geometric sau numai de natura geometrica. Reducerile de natura fizico-geometrica privesc determinarea distantei rectilinii din lungimea drumului optic iar cele de natura pur geometrice privesc aducerea acestor distante din spatiu in

sistemul de referinta considerat. Daca reducerile fizicogeometrice comporta complicatii legate de refractia atmosferica, reducerile geometrice ridica probleme legate de cunoasterea cotelor in capatul distantelor de masurat fata de nivelul marii si al elipsoidului de referinta. Reducerea distantelor masurate din statii excentrice. Ca si in metoda clasica a triangulatiei, la masuratorile geodezice prin unde apare situatia stationarii excentrice la o distanta mai mica sau mai mare fata de punctul materializat in teren. Relieful terenului precum si obstacolele aparute ulterior materializarii punctelor pe aliniamentele de masurat sunt cauzele cele mai frecvente care conduc la stationari excentrice. Nu orice directie favorabila masuratorilor cu teodolite (instrumente clasice) este favorabila si masuratorilor prin unde. In cazul microundelor chiar si pe aliniamente deschise pot aparea suprafete cu reflexii care sa perturbe procesul masurarii si sa impuna schimbarea aliniamentului cu toata vizibilitatea optica existenta. Se impune respectarea urmatoarelor principii: 1. Excentricitatile sa fie pe cat posibil mici si masurabile direct cu panglica, ruleta, fir de imvar 2. Precizia de masurare a segmentului excentricitatii trebuie sa fie cel putin egala sau mai mare fata de precizia instrumentului de masurat prin unde. 3. Segmentul excentricitatii trebuie legat de una din laturile configuratiei ce se formeaza printr-un unghi masurat cu un instrument clasic. 4. Masurarea suplimentara a unui unghi sau a unei laturi din configuratia geometrica rezultata pentru a se asigura controlul masuratorilor. In teren pot aparea 2 cazuri distincte, si anume: - Cu o statie excentrica. In teren sunt materializate punctele 1 si 2, statia excentrica este 1', elementele cunoscute sunt D' distanta masurata prin unde; e1 - valoarea excentricitatii

masurata direct 12m max; alfa 1 - unghiul masurat cu instrumente clasice dintre distanta de masurat D si statia excentrica. Cunoscand aceste valori distanta D se determina cu relatia D=radical din D'(patrat)+e1(patrat)-2D'e1cosalfa1. Acest radical se rezolva in serie pentru (x+1)la m; x