2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất
2.1.2. Nguyên lý hoạt động khối đo dài của thiết bị quét laser mặt đất
Đo dài khoảng cách trong các thiết bị quét laser mặt đất được thực hiện nhờ sóng điện từ trong dải sóng quang học (dải hồng ngoại hoặc dải nhìn thấy). Tín hiệu được truyền đi từ nguồn phát trong khối thiết bị quang - cơ quay hướng, đi qua quãng đường tới đối tượng địa vật và phản xạ lại vào nguồn thu. Trong khoảng thời gian đó tín hiệu đi qua hai lần khoảng cách 2D đến điểm quét. Như vậy giá trị khoảng cách cần xác định là D sẽ bằng một nửa đường đi của tia bức xạ. Việc xác định độ dài
D =
2 (2.2)
Ở đây: + t2D là thời gian được tính từ thời điểm truyền xung lên Diot laser và
thời điểm thu nhận tín hiệu trở lại. Như vậy tín hiệu đi qua khoảng cách 2D; + V là vận tốc truyền sóng điện từ.
Hình 2.5. Ngun lý phương pháp đo xung xác định độ dài khoảng cách [59]
Để xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xung, thường sử dụng những xung ngắn, tức là nguồn phát chỉ làm việc trong khoảng ngắn thời gian. Để nhận được giá trị đơn trị của đại lượng D thì chu kỳ khảo sát xung cần phải lớn hơn thời gian t2D. Những yếu tố cơ bản xác định độ chính xác của phương pháp đo xung chính là độ chính xác xác định đo thời gian (ghi đếm xung). Đánh giá sai số xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xung được tính theo cơng thức:
MD =Mt2D. V
2 (2.3)
Ở đây: M𝑡2D - là sai số đo thời gian 𝑡2D
dài khoảng cách với độ chính xác 1mm. Một trong những yếu tố khác ảnh hưởng đến độ chính xác đo dài khoảng cách trong phương pháp đo xung này là dạng của xung phản xạ lại. Dạng xung này phụ thuộc vào sự kéo dài xung, đặc tính phản xạ của xung, cấu trúc đối tượng vật phản xạ, bề mặt hứng phản xạ và mơi trường khí quyển truyền xung. Trường hợp gặp dạng xung bị tán sẽ dẫn đến không thể ghi đếm được xung [55].
Ưu điểm của phương pháp đo xung xác định độ dài khoảng cách bằng thiết bị quét laser mặt đất là đo được xa khi công suất phát xung không cao. Kết quả nhận được là đơn trị (độ dài khoảng cách tỷ lệ thuận với thời gian truyền xung). Nhược điểm của phương pháp đo xung này là độ chính xác khơng cao so với phương pháp đo pha, bị giới hạn tần số xung theo khoảng cách từ nguồn phát đến đối tượng vật quét.
2.1.2.2. Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha
Nguyên lý xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha được thể hiện qua hình 2.6. Nguyên lý này bao gồm việc xác định số lượng giá trị nguyên của độ dài bước sóng giữa máy phát laser và đối tượng vật được quét tới cùng với hiệu pha bức xạ sóng gửi đi và nhận lại qua tín hiệu bộ điều biến giao động. Ở đây độ rộng của dải băng tần truyền sóng đến 10Hz khi sử dụng Diod laser mới hiện nay. Việc bức xạ đi xa phải yêu cầu liên tục sẽ địi hỏi làm tăng cơng suất bức xạ laser phát ra so với phương pháp đo xung. Ưu điểm chính của phương pháp đo pha là cho độ chính xác cao đạt đến 0,4mm. Để đạt được độ chính xác đó giữa nguồn phát và đối tượng quét cần thiết:
1. Xác định số lượng giá trị nguyên độ dài bước sóng bộ điều biến N truyền dẫn đi qua trên khoảng cách đó
2. Xác định được hiệu pha ∆𝜑 giữa sóng nhận về và sóng gốc phát đi và đánh giá được khoảng cách phụ tương ứng với sóng cuối cùng phản hồi về khơng đầy đủ.
Hình 2.6. Sơ đồ xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha [55]
Đo chiều dài cạnh bằng phương pháp đo pha dựa trên cơ sở xác định hiệu pha gửi đi và nhận lại qua tín hiệu của bộ điều biến. Trong trường hợp này độ dài khoảng cách được tính theo cơng thức [59]:
D=φ2R. v
4π. f (2.4)
Ở đây: + đại lượng 𝜑2R là hiệu pha giữa tín hiệu tại điểm gốc trạm quét và tín hiệu tại điểm quét đối tượng địa vật;
+ f là tần số của bộ điều biến.
Cơng thức (2.4) 𝜑2R có thể triển khai ra thành phần nguyên và thành phần phân số. Nếu các giá trị N và ∆𝜑 được xác định thì độ dài khoảng cách sẽ tính theo cơng thức:
D= Nλ +Δφ
2πλ (2.5)
Ở đây: λ - là độ dài bước sóng của bộ điều biến (λ = ν/2 ).
N- số lượng trị nguyên độ dài bước sóng bộ điều biến truyền dẫn trên khoảng cách D
Công thức đơn giản trên cho phép đủ làm sáng tỏ về độ chính xác cao xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha. Độ chính xác của đại lượng λ được xác định ổn định tần số của máy phát điều biến giao động. Trong điều kiện hiện nay các tham số của thiết bị điều biến giao động này được xác định với độ chính xác rất cao. Ngồi ra đại lượng ∆𝜑 cũng có thể xác định đủ độ chính xác cao. Độ chính xác này phụ thuộc vào loại máy quét laser. Đại lượng ∆𝜑 có thể xác định bằng phương pháp đo bằng thiết bị đo pha hoặc tín hiệu nhận ở dạng số được ghi lưu trên băng từ
và phân tích pha bằng các module phần mềm chuyên dụng. Trong mọi trường hợp đều xác định được ∆𝜑 với độ chính xác cao bởi các lý do sau:
Áp dụng quy luật hình Sin của bộ điều biến, mà độ rộng phổ của tín hiệu đầu vào và đầu ra rất nhỏ. Về mặt lý thuyết có thể nói là nhỏ vô cực của dải phổ hẹp hay về tần số được rời rạc hóa duy nhất.
ω =C
λ (2.6)
Ở đây: C–Tốc độ ánh sáng trong chân không; ω–Tần số rời rạc hóa duy nhất Điều quan trọng là bức xạ vào và ra có thể khác nhau về cường độ (theo biên độ sóng của bộ điều biến) và khơng theo tần số ω. Đây chính là điều kiện đáp ứng về hiệu quả và về độ chính xác cao của phương pháp số hiệu chỉnh để tính tốn tìm giá trị hiệu pha ∆𝜑.
Phương pháp đo pha khác với phương pháp đo xung là nhận được nhiều giá trị đo và cho phép đánh giá độ chính xác và độ tin cậy khi xác định độ dài khoảng cách từ kết quả phân tích mối quan hệ hàm số hiệu chỉnh bức xạ truyền đi và nhận về với độ chính xác nhỏ hơn giá trị ngưỡng cho phép.
Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha bằng thiết bị quét laser mặt đất cho năng suất cao, với số lượng đo dài trong thời gian giây và đáp ứng cả độ chính xác và đem đến kết quả có độ tin cậy cao.
2.1.2.3. Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo tam giác quét laser
Bản chất của phương pháp đo chiều dài khoảng cách bằng phương pháp tam giác quét laser là nhờ ống phóng tia laser cơng suất thấp, lệch so với hướng ban đầu. Góc Ɵ1 được tạo bởi đường đáy thiết bị quét và tia qt laser, giá trị góc tính theo vị trí tâm hình ảnh của vệt qt laser trên máy thu của thiết bị tích nạp liên kết camera 1. Góc Ɵ2 được tạo bởi trục (đường đáy) thiết bị quét và véc tơ lan truyền tín hiệu phản xạ từ đối tượng quét được ghi đếm trên thiết bị tích nạp liên kết camera 2. Với tiêu đề thuật ngữ phương pháp tam giác quét laser được hiểu tương tự như bài tốn giao hội thuận đo góc: với đại lượng đo Ɵ1, Ɵ2 và d để xác định khoảng các từ trạm quét đến đối tượng quét [48, 52].
Để phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác xác định chiều dài khoảng cách bằng phương pháp giao hội thuận đo góc dựa theo cơng thức mối liên hệ giữa khoảng cách cần xác định với các trị đo. Ở đây sử dụng cơng thức hình 2.8.
S = d1 tan Ɵ1 (2.7) S = d2 tan Ɵ2 (2.8)
Hình 2.8. Xác định khoảng cách bằng phương pháp tam giác quét laser [52]
Từ hình vẽ 2.8 cho thấy:
d1 = d + p1 + p2 – d2 (2.9) Ở đây d là đường đáy thiết bị quét (phương pháp tam giác)
Sau khi thay công thức (2.9) vào công thức (2.7) và thực hiện một số biến đổi nhận được:
S + Stanϴ1
tanϴ2 = (d + p1+ p2)tanϴ1 (2.10)
Với giá trị cho p1 và p2 nhỏ nhiều lần so với d và tan Ɵ2 = f2 /p2 Công thức tính khoảng cách S cuối cùng là:
S = d.f2. sinϴ1
f2. cosϴ1+p2. sinϴ1 (2.11)
Ở đây: + f2 – độ dài tiêu cự của ống kính chụp thiết bị tích nạp liên kết 2; + p2 – là hồnh độ của tâm hình ảnh vệt qt laser (tín hiệu phản hồi từ đối tượng quét) lên ma trận thiết bị tích nạp liên kết 2.
Những giá trị cực đại và cực tiểu đo khoảng cách đến đối tượng quét Smax và Smin có thể xác định theo cơng thức (2.11) khi cho giới hạn góc nghiêng tia quét Ɵ1max và Ɵ1min. Đại lượng hiệu của Smin - Smax được gọi là độ sâu của vùng quét.
Từ cơng thức (2.11) cho thấy độ chính xác tính độ dài khoảng cách đến điểm đối tượng quét bằng phương pháp tam giác quét laser phụ thuộc vào các đại lượng đo d và f2 và độ chính xác định vị ghi đếm của đại lượng p2. Sai số của đại lượng p2 phụ thuộc vào kích thước của các thành phần trong thiết bị tích nạp liên kết-ma trận.
Tăng kích thước ma trận và khơng thay đổi kích thước các thành phần thiết bị tích nạp liên kết cho phép tăng độ sâu vùng quét trong quá trình quét (Hình 2.9), điều này sẽ dẫn tới tăng giá thành của thiết bị tích nạp liên kết.
Hình 2.9. Ảnh hưởng đo kích thước thiết bị tích nạp tới độ sâu q trình qt [48]
Sự thay đổi độ dài tiêu cự dẫn đến thay đổi hai tham số, đó là độ chính xác tọa độ của điểm quét và độ nét của hình ảnh trên thiết bị tích nạp liên kết ma trận. Hiệu quả nhất là sử dụng ống kính tiêu cự ngắn, điều này sẽ đáp ứng độ nét của hình ảnh và độ sâu lớn của vùng quét. Vì vậy quá trình khai thác phương pháp tam giác quét laser cần tính đến các tham số (d, f2, Ɵ1, p2) để lời giải sẽ đáp ứng hài hòa nhất.
Ngày nay phương pháp tam giác quét laser cho phép thực hiện quét đối tượng vật cách trạm quét với độ dài hàng chục cm đến 25 mét. Các sai số do khúc xạ khí quyển, dao động sóng tắt dần, thực tế khơng ảnh hưởng đến kết quả đo. Độ chính xác
Theo chức năng làm việc, khối quay thiết bị quét laser mặt đất hiện nay chia ra thành hai loại: loại quay theo bước và loại quay liên tục.
2.1.3.1. Chế độ làm việc quay theo bước của thiết bị quét laser mặt đất
Những thiết bị quét laser mặt đất có chế độ khối quay theo bước, việc định vị ghi góc hướng của tín hiệu thu - truyền tại thời điểm xung đến thì hệ thống khối quay của thiết bị quét laser ở vị trí tĩnh nhận được xung cho đến khi bức xạ lớn nhất có thể đi qua trong khoảnh khắc thời gian đó để xây dựng mơ hình qt laser.
Sơ đồ nguyên lý bước định vị ghi góc thể hiện tại hình 2.10.
Hình 2.10. Nguyên lý theo bước định vị ghi góc [52]
Điều đặc biệt của thiết bị quét laser mặt đất theo bước định vị ghi góc là tốc độ làm việc không cao bởi do giới hạn thời gian lần lượt theo từng bước để tín hiệu đi qua hai khoảng cách mới đến đối tượng quét laser.
2.1.3.2. Chế độ làm việc quay liên tục của thiết bị quét laser mặt đất
Khối đầu quay tín hiệu thu – truyền liên tục của thiết bị quét laser mặt đất theo mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng. Tần số bức xạ của xung luôn không đổi, sự dịch chuyển góc của tín hiệu thu – truyền phụ thuộc vào tốc độ quay của khối đầu quay thiết bị quét. Sơ đồ nguyên lý định vị ghi liên tục góc trong thiết bị quét laser
mặt đất mơ tả tại hình 2.11.
Hình 2.11. Ngun lý định vị ghi liên tục góc [52]
Sự dịch chuyển góc Δgóc tín hiệu thu – truyền được tính theo cơng thức rút gọn sau: Δgóc = Vp. F (2.12)
Vp - Vận tốc góc quay của khối đầu quay thiết bị laser F - Tần số tiếp theo của xung
Khối quay của thiết bị quét laser mặt đất cho tốc độ đo góc rất cao, đơi khi hạn chế tốc độ đo. Tuy nhiên việc khối đầu thiết bị quay liên tục cũng có lúc dẫn tới trị đo khoảng cách khơng đồng nhất, cần tính đến việc bức xạ quay trở lại máy thu và khối đầu quay thiết bị dịch chuyển một giá trị góc nhất định.
2.1.4. Các phương pháp đo góc bằng hệ thống quét laser mặt đất
Q trình tự động hóa đo góc có thể chia ra thành các phương pháp cơ bản sau [57]: - Phương pháp mã hóa đĩa code với bảng dấu thang số;
- Phương pháp sử dụng các đĩa xung;
- Phương pháp cảm ứng điện (tần số, biên độ, xung, điện trở); - Phương pháp đo thời gian;
- Phương pháp hỗn hợp xung và thời gian; - Phương pháp sử dụng hỗn hợp bảng; - Phương pháp sử dụng bảng code mã vạch; - Phương pháp phân cực;
- Phương pháp giao thoa.
bàn chia độ tính đại lượng đo góc được hiện bằng đĩa mã hóa, trên đĩa mã hóa tạo ra hệ thống các đường mã hóa với các thành phần riêng biệt dạng (có, khơng). Việc sắp xếp các thành phần đó vào dạng mã hóa tạo nên giá trị góc đo nhất định, mỗi một đường mã hóa là hạng giá trị góc đo. Số lượng đường và sự liên tục sắp xếp các thành phần trên các đường mã hóa phụ thuộc vào sự lựa chọn mã hóa và độ chính xác đo giá trị góc. Việc đọc mã hóa tiến hành bằng phương pháp quang học. Phương pháp đo góc này được quy về phương pháp đo tuyệt đối [57].
Phương pháp sử dụng các đĩa xung: Bản chất của phương pháp đo góc bằng
xung là đại lượng góc đo được xác định bằng số lượng xung thể hiện bằng các thành phần (có, khơng) trên cung của góc tạo bởi hai cạnh. Phương pháp này dựa trên cơ sở vạch raster thuộc hệ thống vạch chia radial vành ngồi của bàn chia độ. Phương pháp đo góc này được quy về phương pháp đo tương đối [57].
Những phương pháp cảm ứng điện: Những phương pháp này dựa trên nguyên
lý tương đồng sử dụng bộ tạo tần số xoay chiều. Trong hệ thống dựa trên sự cảm ứng điện đo góc trong đó cấu tạo như dạng máy phát điện. Máy phát có thể đo ở dạng biên độ bởi nguồn phát cho ra pha điện thế không thay đổi và đo biên độ điện áp từ máy phát tỷ lệ với góc quay của rotor cũng như bằng các pha khi biên độ điện áp máy phát ổn định mà pha thay đổi sẽ phụ thuốc vào góc quay của rotor. Máy phát pha ln chính xác hơn bởi khi biến đổi pha thành số ln tồn tại chính xác [57].
Phương pháp đo thời gian: Bản chất của phương pháp này xác định góc là
trong quá trình đo thời gian quay của tiêu đo mà thực hiện vai trò cấu tạo của bộ đọc số. Sự phức tạp của phương pháp thực hiện đo thời gian đó là cần thiết tạo ra thiết bị
cho phép quay tiêu đo với tốc độ ổn định đáp ứng độ chính xác đo của từng cấp hạng. Giá trị đo góc được xác định theo cơng thức [57]:
α = 2πr n
60τ (2.13)
Ở đây: τ – thời gian quay của tiêu đo;
n – số vòng quay của tiêu đo trong một phút; r – bán kính quay của tiêu đo.
Phương pháp đo góc này biến thể của phương pháp đo tương đối.
Phương pháp hỗn hợp xung và thời gian: Trong một số tài liệu gọi là phương
pháp đo động. Với phương pháp này trong hệ thống đo góc có nguồn phát và máy thu bức xạ xác định các hướng đo gốc và được liên kết chặt chẽ với bộ ngắm cho ra hướng