Từ hình vẽ 2.8 cho thấy:
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 + S
1
Với giá trị cho p1 và p2 nhỏ nhiều lần so với d và tan Ɵ2 = f2 /p2
S =
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 công 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 quá trình quét [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
43
về tọa độ không gian điểm quét đạt từ 50 μkm đến 0,3 mm chủ yếu phụ thuộc vào độ dài khoảng cách từ trạm quét đến điểm quét. Ngoài ra sai số phụ thuộc vào phản xạ chất liệu bề mặt, đặc tính và hình dáng của đối tượng quét. Các sai số thiết bị, phương pháp được xử lý bằng phần mềm chuyên dụng. Việc ứng dụng phương pháp tam giác quét laser để xác định chiều dài khoảng cách chủ yếu trong lĩnh vực địi hỏi độ chính xác rất cao như: chế tạo máy, lĩnh vực y học và trong chế tạo thiết bị hàng không.
2.1.3. Nguyên lý hoạt động của khối quay thiết bị quét laser mặt đất
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. Ngun 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 khơng 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. Nguyên 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
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 qt 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.
Tổ hợp các đại lượng đo góc, các phương pháp đo góc bằng máy điện tử theo
45
ngun lý tính theo hướng hoặc theo góc được chia làm hai nhóm chính [57]:
- Những phương pháp đo tuyệt đối trong đó hướng vị trí đo được tính từ bàn chia độ, góc đo nhận được là hiệu giữa hai lần đọc hướng đo;
- Những phương pháp đo tương đối, bao gồm góc đo được nhờ kết quả tích lũy tổng các xung giữa cạnh khởi đo và cạnh cuối của góc;
Trong các khối đo góc thì laser mặt đất đã ứng dụng phương pháp mã hóa, đĩa code.
Phương pháp đĩa mã hóa với đánh dấu của thang số: Trong phương pháp này
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 ngoài 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 q 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
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 quay của bàn chia độ. Khi quay bàn chia độ trên máy đo góc và che bằng rãnh chia vạch xuất hiện dòng ảnh sẽ biến đổi thành các xung. Hai dòng ảnh tạo hai xung sẽ xê dịch theo pha phụ thuộc vào số lượng xung n và τ. Hiệu của pha này xác định nhờ số đọc xung giữa các tiêu đo được gắn với bộ phận bộ ngắm và bàn chia độ. Bằng cách này sẽ nhận được số đọc giá trị đo góc thơ, phần đọc chính xác giá trị đo góc được xác định theo thời gian quay của tiêu đo giữa các xung của hai tín hiệu. Phương pháp này được quy về phương pháp đo góc tuyệt đối [57].
Phương pháp sử dụng hỗn hợp bảng: Phương pháp đo góc này là sự biến đổi
mã hóa, trong đó khử những khiếm khuyết như: độ phức tạp chế tạo bàn chia độ với nhiều đường mã hóa và thiết kế rất phức tạp bộ đếm. Ở phương pháp này sử dụng bàn chia độ với một đường mã hóa code, việc đếm thông tin tiến hành nhờ một số bộ cảm biến. Vị trí và số lượng bộ đếm cảm biến thỏa mãn cho mỗi góc quay của bàn chia độ tương ứng trạng thái phối hợp đếm các nguyên tố, đó là phương pháp phối hợp bảng [57].
Phương pháp sử dụng bảng code mã vạch: Phương pháp này khác phương
pháp mã hóa bằng số lượng các bảng là thông tin về kết quả đo góc được thể hiện dạng mã vạch.
Phương pháp phân cực: Bản chất của phương pháp phân cực dựa vào sự phụ
thuộc góc quay mặt phẳng phân cực ở chùm quét laser biết trước từ chính góc quay
47
của chùm laser. Những thành phần chính của của đo góc phân cực là nguồn laser với thước chuẩn trực (Collimator), thấu kính trụ, gương phản xạ truyển và nhận tín hiệu,
vi động cơ điện, ống kính vật, bộ phân cực và phân tích, màng chụp, bộ nhận ảnh, bộ
vi tính tốn biến đổi chữ và số và gương phản xạ.
Phương pháp giao thoa: Trong phương pháp đo góc này sử dụng hiện tượng
sóng ánh sáng giao thoa. Trong khối đo góc trạm quét laser mặt đất sử dụng bảng mã hóa vạch, các bàn chia độ mã hóa với các mặt phủ code số, các bàn (đĩa) xung, các bảng phối hợp, các bảng code mã vạch, tất cả các bộ phận nêu trên đảm bảo cho tốc độ cao đếm và đo góc chính xác (sai số đo góc đạt vài giây) và hiện thực hóa thiết kế đơn giản.
2.2. Các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả quét laser mặt đất
2.2.1. Phân loại các sai số quét laser mặt đất
Tất cả các sai số của các đại lượng đo khi quét laser mặt đất có thể chia thành hai nhóm:
Sai số thiết bị tạo nên bởi chất lượng chế tạo lắp ráp và hiệu chỉnh các bộ phận quang học, cơ học, điện tử của thiết bị quét;
Sai số phương pháp mà chính các đại lượng đo do phương pháp xác định bằng thiết bị quét laser mặt đất.
Các sai số nhóm đầu thực tế được thể hiện trong hồ sơ lý lịch của thiết bị quét ngay trong quá trình chế tạo lắp ráp và được kiểm định theo định kỳ. Kết quả khảo sát độ chính xác bao gồm những kết luận về độ chính xác của từng khối cấu thành bằng các đặc tính kỹ thuật. Việc khử các sai số thiết bị theo nguyên tắc chỉ bằng cách thay thế các bộ phận hoặc công nghệ chế tạo ra thiết bị.
Sai số phương pháp thường được khử trong quá trình xử lý kết quả đo quét. Các sai số phương pháp khi quét laser mặt đất có thể kể đến như sau:
Các sai số phương pháp do môi trường xung quanh tạo nên khi thực hiện qt laser (khí quyển, khúc xạ, sóng điện từ suy giảm, độ rung của thiết bị….)
Các sai số phương pháp do các đặc tính của các đối tượng quét tạo nên (kích thước, hướng quét, cấu trúc, màu …)
Để khử các sai số phương pháp khi quét laser mặt đất gây nên có thể áp dụng hai hướng giải quyết cơ bản. Hướng thứ nhất là đánh giá riêng ảnh hưởng của các thành phần gây nên để khử sai số [41]. Hướng thứ hai thống kê xử lý đồng bộ ảnh hưởng của các yếu tố gây nên các đại lượng đo giống như thực hiện việc khử các sai số hệ thống vào các tọa độ điểm ảnh trong phương pháp đo ảnh.
Ở hướng giải quyết thứ nhất thường khử các sai số hệ thống thô từ kết quả đo quét góc và khoảng cách, thường gọi là xử lý sơ bộ ban đầu, phần xử lý sai số hệ thống còn lại áp dụng hướng xử lý đồng bộ sử dụng các mơ hình đa thức. Việc khử độ sai lệch vào các tọa độ của các điểm quét đối tượng địa vật bằng xử lý đồng bộ ảnh hưởng các yếu tố gây nên là hướng giải quyết tổng hợp nhất.
2.2.2. 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 không 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.
49
2.2.2.2. Độ chính xác làm việc của khối đo dài khoảng cách của thiết bị quét laser mặt đất
Từ công thức (2.2) cho thấy độ chính xác xác định khoảng cách bằng phương pháp đo xung phụ thuộc vào sai số bộ đếm thời gian truyền tín hiệu và tốc độ lan truyền sóng điện từ. Tốc độ lan truyền sóng điện từ trong môi trường được xác định theo công thức [59]:
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