Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

.Дальность действия. Как отмечалось в § 1 (стр. 18), опти­ческое излучение может распространяться только в преде­лах прямой видимости. В этих пределах реальное максималь­ное расстояние, которое можно, измерить светодальномером, зависит от дальности действия прибора. Дальность действия определяется как расстояние, после двукратного пробега ко­торого (до отражателя и обратно) мощность принимаемого сигнала становится равной минимально допустимому (порого­вому) значению, т. е. значению, при котором еще возможно из­мерение разности фаз с требуемой точностью. Дальность дей­ствия зависит от параметров аппаратуры и прозрачности атмо­сферы. .

В § 14 приводилась формула для дальности действия им­пульсных дальномеров класса «Земля—космос» [формула

(3.20) ]. Дальность действия Dm&x для светодальноме{юв с не­прерывным излучением, в частности фазовых, может быть оце­нена по той же формуле, если в ней энергию Е заменить на мощность излучения Р, а спектральный коэффициент прозрач­ности о отнести не ко всей толще атмосферы, а к слою протя­женностью Дтах» т. е. заменить ов на о2*».*:

Здесь Р — мощность излучения источника; Рт in — мини­мально допустимая мощность на приемнике, или, что то же, пороговая чувствительность приемника по мощности. Р и Ртm выражаются в ваттах. Остальные обозначения те же, что и в формуле (3.20).

Выражение (3.53) можно представить в, более удобном для практического использования виде, если перейти от площадей S к диаметрам d и от телесных углов Q к плоским углам а. Воспользовавшись соотношениями S = ztd2/4 и Q=jta2/4, по­лучим

где dorp и <2Пр — диаметры отражателя и приемной оптической системы; оспер и а0тр — плоские углы расходимости излучения, выходящего из передатчика и отраженного отражателем.

Потери света в оптических системах зависят от количества оптических деталей и их прозрачности (включая модуляторы света, оптические фильтры и т. п.). Обычно общий оптический коэффициент пропускания тіопт=т)пер’ПотрТ]пр составляет вели­чину порядка нескольких сотых.

Атмосферное затухание при достаточно длинных трассах или плохой видимости (малой прозрачности атмосферы) мо­жет привести к очень большим потерям света. Так, при хоро­шей видимости, соответствующей коэффициенту прозрачности о=0,9 (затухание ~0,5 дБ/км), при длине трассы 20 км полу­чаем о2о=0,014, а при средней видимости, соответствующей о=0,8 (затухание ~ 1 дБ/км), величина о2г> на той же дистан­ции уменьшается до 0,0001.

В уравнении. дальности действия (3.54) неизвестная вели­чина Ьшах содержится в обеих частях равенства. В другом виде его представить не удается. Такие уравнения в алгебре называются трансцендентными и решаются, в сущности, ме­тодом подбора. Пороговая чувствительность определяется за­данной ошибкой измерения и способом регистрации сигнала и может быть в принципе рассчитана с достаточной точностью для каждой конкретной дальномерной системы. Обычно урав­нение дальности представляют в виде кривой зависимости Dmах от о, выражающей дальность действия при различных состоя­ниях атмосферы.

Пути увеличения дальности действия следуют из анализа рассмотренных формул. Это увеличение мощности излучения (или яркости) источника, увеличение диаметров оптических си­стем, уменьшение Рты и т. д. Однако далеко не все эти пути
приемлемы или легко осуществимы. Наиболее эффективными средствами можно считать использование лазеров [20], а также разработку дальномерных систем с активным отражателем, имеющим собственный источник излучения [13, 15, 19].

Применение лазеров в качестве источников излучения по­зволяет, кроме общего увеличения дальности действия из-за большей интенсивности излучения, резко повысить дальность действия светодальномера в светлую часть суток за счет моно­хроматичности излучения лазера путем постановки в приемной оптической системе узкополосного оптического фильтра, пропу­скающего сигнал и подавляющего фон (см. § 13, стр. 135—136).

Из существующих светодальномеров наибольшей дально­стью действия (около 80 км) обладает американский лазерный дальномер Теодолит 3G (см. табл. 4).

Точность светодальномерных измерений. Исходя из общей формулы (1.68) для точности фазовых дальномеров можно сделать применительно к светодальномерам следующие выводы.

Ошибка измерения разности фаз тф зависит от многих факторов, связанных с конкретно используемым способом фа­зовых измерений. Для современных светодальномеров она обычно лежит в пределах 0,14-1° и носит в основном случай­ный характер. Ее линейный эквивалент, т. е. ошибка в расстоя­нии, обусловленная ошибкой тф (величина —v— тф =

в формуле (1.68)), в соответствии со сказанным на стр. 159 может составлять при аналоговом методе измерений Я/3000, а при цифровом Х/5000 или даже Я/Ю000. При частоте 15 МГц (Я,=20′ м) это дает погрешность примерно 2—3 Мм.

Ошибка постоянной поправки тк зависит от конструкции прибора, его точности и способа определения поправки и имеет, как правило, систематический характер. Эта ошибка в совре­менных приборах меньше 5 мм, а в отдельных случаях (высо­коточные приборы с синхронной демодуляцией, принудитель­ное центрирование при определении поправки) она составляет доли миллиметра.

‘ Совместное влияние всех ошибок, не зависящих от вели­чины расстояния, обычно дает, таким образом, результирую­щую погрешность 3—5 мм.

Поскольку значение скорости света в вакууме с= = 299792458 м/с известно сейчас со средней квадратической погрешностью 1,2 м/с, т. е. с относительной ошибкой 4 • 10~9, этой составляющей общей погрешности можно пренебречь. В пропорциональной расстоянию части общей ошибки суще­ственными оказываются, таким образом, погрешность частоты модуляции и погрешность фактического значения показателя преломления воздуха.

Для приборов большой дальности действия необходима ста­бильность частоты от (1—2) • 10-7 до 10-6. Такая стабильность может быть достигнута лишь при использовании термостати­рованных кварцевых резонаторов.

Погрешность знания показателя преломления воздуха зави­сит от ошибок определения метеорологических элементов — температуры, давления и влажности воздуха. Теоретически ве­личину показателя преломления можно определить с точностью 10~7, но практически такая точность может быть достигнута только применением дисперсионного метода определения пока­зателя преломления, т. е. в двухволновых светодальномерах.

Пользуясь формулой (2.25) из § 8 (стр. 74) и приведен­ными там же значениями производных, можно записать, что ошибка в расстоянии, обусловленная ошибками метеоэле­ментов, а также ошибкой знания эффективной длины волны излучения Шх (ее называют дисперсионной ошибкой), составит

(mD)x. r. P.e = D — КГ» V(0,04)V + (1,0fm + (0,4)2 tn% + (0,05)2m .

‘ (3.55)

I /Wn і t p «

Относительная ошибка —— D ‘ ‘— равна ошибке показателя преломления тп1п^тп.

Для современных (лазерных) дальномеров дисперсионную ошибку т% можно принять равной нулю. Что касается ошибок метеоэлементов, фигурирующих в приведенной формуле, то здесь важно подчеркнуть, что они выражают собой ошибки, с которыми нам известны «истинные» — средние вдоль трассы (среднеинтегральные) значения температуры, давления и влажности, т. е. величины <Т>, <Р> и <е>. Каждая из ошибок mr, trip и те складываются из двух компонентов: так называемой ошибки представительства и ошибки собственно измерения данного метеорологического элемента.

Так как метеоэлементы измеряются обычно лишь на кон­цах линии (а иногда и только на одном ее конце), то ошибка представительства выражает собой ту погрешность, с которой осредненное только по двум крайним точкам значение метео­элемента будет представлять его «истинное» — среднеинте­гральное — значение. Значения ошибок представительства за­висят от длины трассы, ее характера и конкретных атмосфер­ных условий и в среднем могут быть охарактеризованы такими величинами: 0,7° для температуры, 0,7 мм рт. ст. для давления и 0,8 мм рт. ст. для влажности.

Второй компонент — ошибки собственно измерений метео­элементов (в дискретных точках), выполняемых обычно при

помощи барометра-анероида (давление) и аспирационного психрометра (температура и влажность). В среднем значения этих ошибок можно принять равными 0,2° для температуры, 0,3 мм рт. ст. для давления и 0,5 мм рт. ст. для влажности. Некоторые дополнительные погрешности могут вызываться влиянием временных изменений измеряемых метеоэлементов, однако они могут быть значительно ослаблены выполнением ме­теоизмерений через достаточно небольшие промежутки времени с осреднением результатов (частота измерений устанавлива­ется эмпирически, сообразуясь с условиями погоды, временем суток и т. п.; практически в большинстве случаев доста­точно повторять измерения каждые 15 мин, а при необходимо­сти особо точного контроля, например при исследовательских работах, возможно применение метеоприборов с непрерывной регистрацией). Полезно запомнить, что ошибка в температуре на 1° дает ошибку в показателе преломления, а следовательно, и в расстоянии, равную 1 • 10-6, ошибка в давлении на 1 мм рт. ст.— 4* 10~7, а ошибка во влажности на 1 мм рт. ст.— 5 • 10-8; эти цифры есть не что иное, как значения производных в формуле для общей ошибки.

Таким образом, каждую из ошибок тт, тР и те можно для оценочных расчетов представить в виде

ffl метео = Шпредст "Ь ^изм, (3.56)

где Шпредст — ошибка представительства; тизм — ошибка изме­рения метеоэлемента. Если мы учтем это соотношение в фор­муле (3.55) и затем подставим приведенные выше численные значения для всех составляющих ошибок, то для относитель­ной ошибки расстояния (mD)T, p,e/D или, что то же, для тп получим величину 0,9 «10і6. Отметим, что в менее благоприят­ных условиях, чем те, для которых были приведены численные значения ошибок, ошибка т<я> увеличивается до (2—3) • 10-6.

Если учесть все источники ошибок и принять во внимание повышение инструментальной точности за счет многократных измерений, то результирующая ошибка измерения расстояний светодальномерами, выраженная уравнением вида (1.71) (§ 4), составит для большинства приборов

mD = ±[(3-т-10) мм + (1-т-10) мм/км]. (3.57)

Разумеется, эта оценка относится только к одноволновым све­тодальномерам. Сведения о точности двухволновых светодаль­номеров приведены при их описании в § 15.

Комментарии запрещены.