Những sai số thiết bị quét laser mặt đất

2 2 2 1 Độ ổn định làm việc của thiết bị quét laser mặt đất

Sử dụng nguồn bức xạ laser trong trạm quét hoặc là liên tục hoặc là phát ra xung với tần số cao dễ dẫn đến đốt cháy chính nguồn laser và cả khơng gian bên trong của máy quét Vì vậy trong hệ thống thiết bị thường lắp ráp bộ phận làm mát Nếu thiết bị không được làm mát sẽ dẫn đến các thiệt hại sau [23]:

 Khi bộ phận làm mát khơng đảm bảo, nguồn laser nóng sẽ dẫn tới biến dạng

các bộ phận quay và đo của trạm quét laser mặt đất, ảnh hưởng xấu đến các đại lượng đo do sự phát xung của thiết bị và làm giảm thời gian làm việc của trạm quét

 Máy quét quá nóng dẫn đến làm kẹt bộ phận quay của máy quét dẫn đến hỏng

thiết bị

Trong thiết bị quét laser mặt đất thực hiện việc làm mát bằng hai cách đó là:

 Trao đổi khơng khí mát từ ngồi vào bằng hệ thống quạt Tuy nhiên cách làm

này dễ dẫn đến máy qt khơng kín cũng như tăng độ ẩm và bụi trong máy

 Hoặc đẩy khí nóng từ trong thiết bị ra bằng việc sử dụng bơm chân khơng khí

nitơ Chất lượng làm việc của hệ thống làm lạnh ảnh hưởng rất nhiều đến độ bền và ổn định của trạm quét laser mặt đất

n

Ở đây: + C – tốc độ ánh sáng trong chân khơng, theo chuẩn của Liên đồn Trắc địa và Địa vật lý quốc tế bằng 299 792 458 ± 1, 2m/giây

+ n – hệ số khúc xạ khí quyển, phụ thuộc vào các thành phần vật lý của mơi trường (áp suất khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm khơng khí) và độ dài của sóng điện từ

Ngày nay việc xác định tốc độ lan truyền của sóng điện từ trong mơi trường chân khơng bằng phương pháp vật lý và sử dụng công thức [59]:

C = � �� (2 15)

Ở đây: + λ v – độ dài của sóng điện từ trong mơi trường chân khơng;

+ fv – tần số dao động sóng điện từ Bằng phương pháp đo vật lý, đại lượng vận tốc truyền sóng điện từ giao động trong mơi trường chân không với sai số tương đối là 3 x 10 – 9 [59]

Sai số đo khoảng cách MR bằng phương pháp đo pha với nhiều cách khác nhau được xác định theo công thức [59]:

�

4� 2

� � (2 16)Ở đây: mc - sai số xác định số hiệu chỉnh ổn định của thiết bị; Ở đây: mc - sai số xác định số hiệu chỉnh ổn định của thiết bị;

mα - sai số xác định hiệu pha giữa điểm gốc và điểm tín hiệu điểm đo; mf - sai số do sự khác biệt tần số đo với giá trị chuẩn của nó;

mν – sai số xác định vận tốc truyền sóng điện từ trong khí quyển Sai số xác định số hiệu chỉnh ổn định của thiết bị với trị đo mC phụ thuộc vào đặc tính cấu tạo của máy qt laser mặt đất (góc đo pha, khác biệt điện thế trong lưới

so với chuẩn…) và phương pháp xác định số hiệu chỉnh khi kiểm định thiết bị Hiện nay phương pháp kiểm định máy đo dài sóng điện từ khi thiết bị và gương chiếu được định tâm với sai số đạt 0,1mm Thực tế giá trị đó mang đặc tính giới hạn độ chính xác để xác định sai số thiết bị

Sai số xác định hiệu pha mα chủ yếu phụ thuộc độ chính xác thiết bị pha và gồm cả sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên Nguyên nhân chính xuất hiện những sai số đều liên quan tới các đặc tính vật lý học đó là [59]:

- Những độ ầm khi đo;

- Khơng tuyến tính của đặc tính pha;

- Khơng tuyến tính của đặc tính biên độ - pha;

- Ảnh hưởng độ nhịp nhàng của những thành phần tín hiệu đo; - Sự biến đổi ghi pha – code (máy đo pha số)

Trong các thành phần sai số thì sai số xác định hiệu pha dẫn đến tổng sai số đo dài khoảng cách của trạm quét laser mặt đất là lớn nhất Sai số mf do sự không ổn định của tần số và pha chuẩn cùng một tính chất Với sự thay đổi mềm mại tần số của máy quét laser, mf chủ yếu sẽ phụ thuộc vào phương pháp đo pha Sai số đo pha gồm cả sai số ngẫu nhiên và hệ thống do lắp đặt tần số về chuẩn và do sự chậm trễ trôi tần số của bộ tạo tần số

Thực tế theo công thức (2 16) hai thành phần sai số đầu không phụ thuộc vào khoảng cách, hai thành phần sai số sau ảnh hưởng tỷ lệ thuận với khoảng cách đo Vì vậy sai số trung phương đo dài khoảng cách trên trạm quét laser bằng phương pháp đo pha cũng như đo xung có thể biểu thị qua cơng thức [65]

�� = a + bR (2 17)

Ở đây a và b là các hệ số thực nghiệm trên cơ sở đo độ dài khoảng cách theo chuẩn kiểm định Mỗi thiết bị đo có giá trị riêng kèm theo Khi đo khoảng cách khơng xa bằng đo pha thì các sai số đếm hiệu pha, sai số tần số, tốc độ truyền sóng điện từ giao động trong khí quyển hầu như rất nhỏ khơng đáng kể

Độ chính xác đo dài khoảng cách và đo góc của trạm quét laser phụ thuộc vào nhiều yếu tố nêu trên, ngoài ra trong hệ thống thiết bị quét còn lắp đặt hệ điều khiển

 Sự không trùng quay trục đứng thiết bị các trục quay của lăng kính qt;  Sự khơng trùng quay trục đứng thiết bị với véc tơ lan truyền của tia laser;  Sự khơng trùng trục quay lăng kính qt với véc tơ lan truyền của tia laser;  Sai số của trục ngang;

 Sai số đĩa chia độ góc đứng;  Sai số đĩa chia độ góc ngang

Trong chương trình xử lý hệ số tỷ lệ b và sai số hiệu chỉnh thiết bị tiến hành bằng hai cách: Cách thứ nhất khi xác định riêng các tham số trong quá trình kiểm định, các số hiệu chỉnh được khử vào các trị đo Cách thứ hai đưa các số hiệu chỉnh vào cạnh đo, tổng ảnh hưởng của các tham số kiểm định phụ thuộc vào khoảng cách cụ thể đo Cách thứ hai xử lý sai số hệ thống kết quả đo thông dụng và phổ biến hơn bởi khoảng cách đo bằng quét laser biến động từ 1 đến 1200 mét Trong khoảng đó cơng suất tín hiệu ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phản xạ của các đối tượng quét Vì vậy trường hợp khi bộ thu bức xạ nhận được tín hiệu q mạnh có thể dẫn đến hỏng thiết bị Khắc phục hiện tượng trên khi quét thường đặt trước bộ thu thiết bị làm giảm cơng suất tín hiệu một cách giả tạo, càng gần đối tượng quét càng cần làm yếu cơng suất nhận tín hiệu, việc này sẽ dẫn đến biến dạng hình dạng đối tượng địa vật quét Kết quả này sẽ gây khó cho việc hiệu chỉnh theo cách thứ nhất

Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến kết quả đo góc và đo cạnh là sự không đồng thời cùng lúc (tức thời) ghi trị đo R, α, θ trên trạm quét laser mặt đất Mỗi trị đo R, α, θ, khi ghi lại chúng phải qua một khoảng TR, Tα, Tθ Những sai số do ghi không tức thời trị đo được thể hiện theo hàm sau:

∆ = F (R, �� , � , �, t) (2 18) t – là thời gian làm việc quét kể từ thời điểm phóng tia quét

Các sai số do ghi không tức thời không thể xác định trong quá trình xử lý kết quả quét laser mặt đất Cách duy nhất xử lý các sai số đó là TR, = Tα = Tθ ngay khi lắp ráp kiểm định thiết bị

Các máy quét hãng Riegl, Leica, Zoller + Frohlich và các hãng khác khi quét laser các đối tượng quét theo hướng nằm ngang và hướng đứng sử dụng đầu quang học và lăng kính quay liên tục Trong q trình qt nguồn laser gửi tín hiệu đến lăng kính và phản xạ tia tới đối tượng địa vật, từ địa vật tia laser quay trở lại bộ thu Trong thời gian tín hiệu tia laser phát đi đến đối tượng và quay trở lại đầu quang học thì lăng kính ln quay theo vịng đứng và vịng ngang và đo được giá trị góc thay đổi ∆α và ∆θ Câu hỏi được đặt ra là khi nào cần ghi lại giá trị các góc đó:

- θphát – là thời điểm tín hiệu từ nguồn bức xạ laser phát đi; - θthu – là thời điểm bộ thu tín hiệu nhận được tia phản hồi; - Tính giá trị góc trung bình θTB = (θphát + θthu )/ 2

Để có cơ sở cần thiết đưa các các số hiệu chỉnh vào các hướng đo khi tiến hành quét laser, chúng ta tính góc mà lăng kính quay trở về trong thời gian xung truyền từ trạm quét laser mặt đất đến đối tượng địa vật và ngược lại Trong trường hợp này chỉ cần tính góc qt đứng bởi tốc độ qt theo hướng nằm ngang thấp hơn nhiều so với hướng đứng

Vận tốc cực đại và cự tiểu quét theo hướng đứng đạt từ 1 đến 20 đường/giây Điều này có nghĩa là, tốc độ tối thiểu vòng quay của tia quét sẽ là

����=1 đường/giây 2 × 36003 =2400/giây và ����= 20 đường/giây 2 × 36003 = 4800/giây

Theo cơng thức (2 2) có thể tính được thời gian mà tia laser đi qua khoảng cách từ trạm quét đến đối tượng địa vật và ngược lại, sau đó tính giá trị góc quay của gương quét ∆θ trong thời gian đó (bảng 2 1)

Bảng 2 1 Đại lượng góc quay của gương máy quét laser mặt đất từ thời điểm tín hiệu phát đi tới đối tượng quét và ngược lại về bộ thu

chứng minh cho tính cần thiết tạo cho đo góc và đo cạnh tức thời trong cùng thời điểm của trạm quét laser mặt đất

2 2 2 3 Những sai số của các khối đo góc trạm quét laser mặt đất

Chúng ta thấy ngẫu nhiên sinh ra những sai số của các khối đo góc thiết bị quét laser mặt đất, mang đến những vạch code, đĩa code với những mảng phủ bảng số, những đĩa xung, những bảng tổ hợp

Việc phân loại hệ thống sai số của các thiết bị đo góc máy kinh vĩ, tồn đạc… đã được phổ biến trong nhiều các tài liệu Trên cơ sở đó sai số các khối đo góc của trạm quét laser mặt đất được chia thành các nhóm sau đây [29]:

 Độ lệch tâm của thiết bị:

 Độ lệch tâm trục xoay cấu tạo đọc ghi số để đo góc đứng;  Độ lệch tâm trục xoay cấu tạo đọc ghi số để đo góc ngang;  Độ lệch tâm trục xoay lăng kính tiêu chỉnh tia laser;

 Những sai số bàn chia độ:

 Sai số bàn độ đứng (đại lượng điểm cách, tương ứng khởi đầu đo khoảng

cách bằng thiết bị đo dài laser, từ trục quay ngang của lăng kính);

 Sai số bàn độ ngang (đại lượng điểm cách, tương ứng khởi đầu đo khoảng

cách bằng thiết bị đo dài laser, từ trục quay đứng của thiết bị);

 Sự nghiêng trục quay ngang của lăng kính hoặc gương:

 Dao động nghiêng của trục ngang;

 Sự khơng vng góc giữa trục đứng với trục ngang;  Độ nghiêng trục ngang do độ nghiêng trục đứng;

 Sự nghiêng trục quay đứng của thiết bị:

 Dao động nghiêng của trục đứng;

 Sự nghiêng của trục đứng do sự biến dạng co dãn bất thường của trục xoay;

 Những sai số nghiêng của mặt phẳng bộ phận đọc số tương ứng với trục xoay

của nó

Bên cạnh đó khi sử dụng bộ phận vi chỉnh góc nghiêng máy qt laser cịn mang thêm sai số do nghiêng trục đứng thiết bị vào vị trí thẳng đứng (có sai số khi lắp ráp bộ phận vi chỉnh các góc nghiêng)

Ngồi ra cịn dạng sai số đo góc bằng qt laser do cấu tạo của bộ phận đọc số theo chu kỳ dài và chu kỳ ngắn

Hệ thống để quét laser mặt đất được trang bị máy tính tốc độ cao với chương trình chuyên dụng cho phép khử một phần sai số kết quả đo góc như: sai số chia bàn độ, độ lệch tâm bộ phận đọc số Những sai số đó được xác định bằng các tham số khi kiểm định và được tự động đưa vào xử lý bước đầu kết quả đo bằng chương trình điều hành Như vậy người sử dụng trạm quét laser mặt đất ln được phép cải chính vào các đại lượng góc đo Hiệu chỉnh các sai số đó có thể làm tăng độ chính xác đo góc tới 40% Các mơ hình trạm quét laser mặt đất cho phép đo góc đứng và góc ngang với dung sai từ 2 đến 9” [15]

2 2 3 Các sai số phương pháp khi quét laser mặt đất

2 2 3 1 Ảnh hưởng của môi trường xung quanh tạo nên khi quét laser mặt đất

Bao gồm ảnh hưởng của các yếu tố (khí quyển, khúc xạ, sóng điện từ suy giảm, độ rung của thiết bị… ) Các đại lượng được đo bằng trạm quét laser mặt đất (khoảng cách, góc đứng, góc ngang, cường độ điểm, màu thực bề mặt đối tượng địa vật, tín hiệu được phản xạ lại từ chúng) cho thấy đều bị ảnh hưởng không được thuận lợi từ khí quyển, đặc biệt lớp gần bề mặt đất Tại đây thay đổi đáng kể mật độ khơng khí, sự di chuyển và dao động khối khơng khí dẫn tới làm giảm tốc độ truyền ánh sáng và thay đổi hướng bức xạ (hiện tượng khúc xạ) cũng như làm giảm mật độ tín hiệu phản xạ, sai truyền màu sắc thường gọi là hiệu ứng mờ [59]

của các đối tượng địa vật trong đo vẽ laser mặt đất

Các biến đổi ngẫu nhiên do nhiễu loạn khơng khí dẫn tới sự dao động biên độ (cường độ), pha, tần số, phân cực, hướng truyền sóng và góc bị phân tán Ngồi ra ảnh hưởng đó cịn làm tăng mật độ phổ, công suất tiếng ồn về bộ thu, kết quả làm giảm quan hệ tín hiệu/ tiếng ồn [59] Sự nhiễu loạn xuất hiện mạnh khi đo tại giải quang học Để loại trừ các ảnh hưởng trên tốt nhất lựa chọn điều kiện thuận lợi khi đo mà trong thực tiễn thường gọi là thời gian (ảnh yên tĩnh)

Ảnh hưởng lên sai số trong việc xác định vận tốc ánh sáng do nhiều yếu tố gây nên Một trong độ sai lớn là xác định giá trị trung bình hệ số khúc xạ trên đoạn từ máy quét tới điểm địa vật Thường vận tốc ánh sáng trong chân không xác định với sai số tương đối 10-9, hầu như không ảnh hưởng tới sai số chung xác định vận tốc ánh sáng trong khí quyển Sai số hệ số khúc xạ khí quyển phụ thuộc vào thành phần tán sắc và sai số xác định thơng số khí tượng dọc theo tia qt Việc sử dụng nguồn tín hiệu laser giải phổ bước sóng ngắn trong thiết bị đo dài và quét laser cho phép tránh được sai số tán sắc

Hệ số khúc xạ n cho điều kiện mơi trường cụ thể là hàm của mật độ khí quyển, để xác định dùng máy đo áp kế và đo tức thời áp suất khí quyển, nhiệt độ và độ ẩm khơng khí Ngun lý đo khoảng cách bằng máy đo dài và trạm quét laser mặt đất tương tự như nhau, để xác định hệ số khúc xạ của các sóng điện từ có tính đến các số liệu khí tượng khi qt vật thể có thể sử dụng cơng thức [61]:

Ở đây: α - là hằng số khí và bằng 1/273, 16;

P - là áp suất khí quyển, đo mm cột thủy ngân; E - độ ẩm tuyệt đối khơng khí, đơn vị đo gram/m3 ; T - nhiệt độ khơng khí, đơn vị đo Kelvin;

nG - hệ số khúc xạ chuẩn khí quyển tính theo cơng thức [61]: (�� – 1) 107 = 2876, 04 + 16,288 + 0,136 (2 20) λ – độ dài bước sóng bức xạ

Tốc độ truyền dao động sóng điện từ trong mơi trường khơng khí, từ cơng thức (2 14) và (2 19) phụ thuộc vào tính chất vật lý của mơi trường và độ dài sóng điện từ Hệ số khúc xạ của sóng điện từ trong mơi trường bình thường đối với bước sóng cụ thể có thể được tính theo cơng thức:

(n - 1) x 10-8 = A + �− ��2 + �−�2 + �+(�− )� (�− )2 (2 21)

Ở đây: A, B, C, D, E, F, K là các hệ số Các hệ số do các tác giả khảo sát đưa ra riêng của mình đối từng vùng

δ – đại lượng nghịch đảo độ dài sóng trong chân khơng, đơn vị µkm-1