Теоретичні основи вертикальної рефракції, способи її визначення, врахування і прогнозування

У термічно турбулентній атмосфері максимальні флуктуації зображень візирних цілей залежать від максимальних флуктуацій аномальних вертикальних градієнтів температури, які підпорядковуються закону плавучості елементарних частинок повітря в атмосфері. Аномальні точкові та еквівалентні вертикальні градієнти температури у періоди нестійкої стратифікації атмосфери флуктують у межах від до.

Максимальні амплітуди флуктуацій еквівалентних аномальних вертикальних градієнтів температури дорівнюють середньому еквівалентному градієнтові.

4. Доведено, що у термічно турбулентній атмосфері середня аномальна вертикальна рефракція дорівнює максимальній амплітуді коливань зображень візирних цілей. Максимальні амплітуди коливань зображень візирних цілей пропорційні довжині шляху променя світла . Про це свідчить геометрична інтерпретація явища вертикальної рефракції.

Пропорційність залежності максимальних амплітуд коливань променя світла від його довжини підтверджена експериментально у різних кліматичних умовах під час проходження променя над різноманітними підстелюючими поверхнями. Степінь довіри пропорційності максимальних амплітуд довжині променя у 10 разів більша порівняно з гіпотезою, що ці ж амплітуди пропорційні. Встановлено, що, вимірявши коливання зображень візирних цілей під час геометричного нівелювання, можна визначити поправки за рефракцію з точністю до .

5. Встановлення закономірності максимальних амплітуд коливань зображень візирних цілей, дало можливість розробити безпосередній спосіб визначення середньої аномальної вертикальної рефракції, вимірюючи ці амплітуди. Точність визначення аномальної вертикальної рефракції за виміряними максимальними амплітудами коливань зображень візирних цілей складає близько для ліній довжиною до . Виключення аномальної вертикальної рефракції наведенням зорової труби на максимальне верхнє положення зображення візирної цілі, що коливається, можна виконати з точністю близько для ліній тієї ж довжини.

6. Доведено можливість прогнозування вертикальної рефракції. Аномальні вертикальні градієнти температури з необхідною для прогнозування вертикальної рефракції точністю визначають за коливаннями зображень візирних цілей. Стабільність вертикальної рефракції над однорідними підстелюючими поверхнями дає можливість надійно моделювати рефракційні поля та прогнозувати вертикальну рефракцію.

Встановлено, що згідно записаної розгортки коливань візирних цілей ПЗЗ камерою можна визначити аномальну вертикальну рефракцію.

Величини середньої рефракції, обчислені за значеннями максимальних коливань, відрізняються від таких же, обчислених за миттєвими значеннями коливань, не більше, ніж на , що підтверджує теоретичне обгрунтування можливості визначення аномальної рефракції за максимальними коливаннями візирних цілей.

7. Встановлено, що врахувати дію вертикальної рефракції під час вимірювань, зокрема, її аномальної складової, можна, керуючи лазерним променем. Положення лазерного променя фіксують за допомогою фотоелектричних давачів. Вони перетворюють енергію світла у електричну, яка передає інформацію про коливання променя внаслідок турбулентності атмосфери до дефлектора магнітоелектричного або п'єзоелектричного принципу дії. Дефлектор керує напрямком променя, трансформуючи його коливання у власний коливальний рух. Промінь, відбитий дефлектором, може стати короткочасно нерухомим.

Розроблені основи розрахунків дефлекторів у динамічному та статистичному режимах, що відповідає дії аномальної та нормальної рефракції. Виходячи з частот коливань, одержані залежності для визначення амплітуди кута відхилення променя для обох режимів. Для п'эзоелектричних дефлекторів платівкового типу геометричні параметри та амплітуди кутів відхилень визначають на основі теорії пружності та міцності для матеріалів платівок. Величини допустимих напружень електричного поля у п'єзоелектричних платівках є вихідними даними для розроблення електричних схем фотоелектричних давачів.

8. Засоби реалізації способів визначення та врахування дії аномальної складової вертикальної рефракції у процесі вимірювань повинні включати, як мінімум, випромінювач, дефлектор та фотоелектричний давач, який слугує генератором-збудником коливань рухомого елемента дефлектора. Розроблено конструкції однокоординатних фотоелектричних давачів, що мають приймальну площину із сегментних діодів.

Крім відлікового давача у склад пристрою може бути включений опорний давач, такої ж конструкції, як і відліковий. Енергетичну вісь лазерного променя суміщують із центром опорного давача у той час, коли вертикальна рефракція відсутня, тобто, або коли величина відома. Для визначення величини аномальної складової вертикальної рефракції відслідковують рух чутливого елемента відлікового давача. Для врахування дії аномальної складової вертикальної рефракції під час вимірювань пристрій, що керує напрямком променя, тобто, дефлектор, під'єднано до виходу схеми відлікового фотоелектричного давача. Якщо енергетична вісь лазерного випромінювання внаслідок турбулентності атмосфери зміститься з центру відлікового давача, його електрична схема розбалансовується і на дефлектор поступає електричний сигнал, що викликає зміну положення відбивача, який повертає пучок випромінювання у попереднє положення. Пучок стає короткочасно нерухомим і з'являється можливість фіксувати відлік.

Робочі схеми і конструкції давачів працездатні, а їх роздільна здатність задовольняє вимоги точності визначення та врахування дії аномальної складової вертикальної рефракції. За умов застосування фотоелектричних давачів на основі квадрантних або сегментних фотодіодів досягнуто амплітуди кута відхилень до для магнітоелектричних та платівкових дефлекторів з роздільною здатністю до десятих часток кутової сек. Виконано дослідження особливостей дефлекторів, які впливають на врахування дії аномальної складової вертикальної рефракції.

Новизна способів визначення вертикальної рефракції захищена чотирма патентами України

ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ ПРАЦЬ ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Статті у наукових виданнях

Мороз О.І. Визначення та врахування вертикальної рефракції під час геодезичних вимірювань: Монографія.- Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2003.-224 с.

Мороз О.І. До питання врахування впливу вертикальної рефракції у термічно турбулентній атмосфері//Геодезія, картографія і аерофотознімання. - 2001. - №61. - С.85-88.

Мороз О. До питання рефракції в термічно турбулентній атмосфері//Інженерна геодезія. - Київ: КНУБА. - 2000. - № 43. - С.157-163.

Мороз О. Визначення вертикальної рефракції в термічно турбулентній атмосфері // Вісник геодезії та картографії. - 2000. - № 4. - С.9-12.

Мороз А.И. Исследование нивелирной рефракции в приземном слое атмосферы на основе колебаний изображения. - Фермессунгтехник. - ГДР.- №4(36).-1988.-с.157-163.

Мороз А.И. О связи вертикальной рефракции и амплитуды колебаний визирной цели// Известия вузов. Геодезия и аєрофотосъемка. - 2001. - № 1.- С.18-21.

Мороз О.І. Врахування дії вертикальної рефракції з використанням платівкових пристроїв керування променем// Інженерна геодезія.- Київ: КНУБА.- 2002 - № 48.- С. 173-180.

Мороз О.І. Визначення та врахування дії аномальної складової вертикальної рефракції застосуванням магнітоелектричних пристроїв// Вісник Рівненського державного технічного університету. - Рівне. - 2002. № 3 - С.332-338.

Мороз О.І. Деякі особливості експлуатації пристроїв визначення та врахування вертикальної рефракціїї//Геодезія, картографія і аерофотознімання. - 2002. - № 62. - С.47-50.

Спосіб визначення вертикальної рефракції: Деклараційний патент на винахід 38640А. Україна, МПК 7 G01С 5/00/ О.І.Мороз (Україна) - №2000084717; заявлено 08.08.2000; Опубл. 15.05.2001. Бюл. № 4. - 4 с.

Спосіб визначення аномальної вертикальної рефракції:Деклараційний патент на винахід 46968А. Україна, МПК 7 G01С 5/00/ О.І.Мороз (Україна) - №2000127217; заявлено 15.12.2000; Опубл. 17.06.2002. Бюл. № 6. - 4 с.

Спосіб визначення аномальної вертикальної рефракції та пристрій для здійснення його: Патент на винахід 51779. Україна, МПК 7 G01С 5/00, G01В 11/24, 11/26/ О.І.Мороз (Україна) - №99095144; Заявлено 16.09.1999,опубл. 16.12.2002. Бюл. № 12. - 8 с.

Мороз О.І., Островська О.А. Спроба визначення вертикальної рефракції за миттєвими змінами температур//Геодезія, картографія і аерофотознімання. - 2002. - № 62. - С.50-54.

Мороз О.І., Островський А.Л. Прогнозування вертикальної рефракції//Вісник геодезії та картографії. - 1999. - № 1(12). - С.14-17.

Мороз О.І., Островський А.Л., Терещук О.І. Експериментальні дослідження залежності максимальних коливань зображень візирних цілей від віддалі//Геодезія, картографія і аерофотознімання. - 2001. - № 61. - С.89-100.

Мороз О.І., Перій С.С. До залежності вертикальної рефракції від метеорологічних елементів // Вісник геодезії та картографії. - 1996. - № 2(6). - С.25-28.

Спосіб визначення вертикальної рефракції: Деклараційний патент на винахід 38641А, МПК 7 G01C5/00/Мороз О.І., Островський А.Л. (Україна) - №200084719; заявлено 08.08.2000; Опубл. 15.05.2001. Бюл. № 4. - 4 с.

Мороз О.І., Островський А.Л. Основні положення теорії флуктуаційного методу визначення аномальної вертикальної рефракції//Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. - Львів: Ліга-Прес.- 2002. - С.110-120.

Мороз О.І., Шевченко Т.Г. Визначення вертикальної рефракції та врахування її впливу// Інженерна геодезія. - Київ: КНУБА. - 2001 . - № 46. - С.186-193.

Мороз О.І., Шевченко Т.Г. Врахування аномальної вертикальної рефракції лазерного променя з використанням фотоелектричного датчика//Вісник геодезії та картографії.-2002. - № 2.-С.17-18.

Островський А.Л., Мороз О.І. Геометрична інтерпертація флуктуаційного методу визначення аномальної вертикальної рефракції//Сучасні досягнення геодезії, геодинаміки та геодезичного виробництва. - Львів: Ліга - Прес .- 1999. - С.11-13.

Островский А.Л., Мороз А.И. Теория и практика флуктуационного метода определения вертикальной рефракции//Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2000. - № 3.- С.11-29.

Островський А., Мороз О., Новосад В. Метод безпосереднього визначення нівелірної рефракціїї//Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. - Львів: Ліга-Прес. - 2000.- С.78-83.

Островський А.Л., Мороз О.І., Третяк К.Р. Деякі проблеми сучасної геодезії//Вісник геодезії та картографії. - 1997. - № 1. - С.32-36.

O.Moroz, A.Ostrovskyi Gentralized theory of refraction and turbulence. Repots of geodesy// Proceedings of the EGS Symposium G12 “Geogetic and geodynamic programmes of the CEI (Central European Initiative)”. - Nice, France. - 2000. - № 6(52). - P.217-226.

Мороз О.І., Островський А.Л. Флуктуаційний метод визначення середніх, квадратичних та миттєвих значень аномальної вертикальної рефракції//ZESZYTY NAUKOWE Politechniki Rzeszowskiej № 195, z. 34. Rzeszow-200. - 2002. - С.163-167.

Праці в збірниках наукових доповідей симпозіумів та конференцій

Мороз О.І. Визначення та врахування впливу вертикальної рефракції//Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS i GIS-технології. Збірник наукових доповідей шостого міжнародного науково-технічного симпозіуму. - Алушта-Львів. - 2001. - С.32-37.

О.Мороз, А.Островський. Моделювання рефракційних полів. Прогнозування вертикальної рефракції//Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища. Збірник наукових доповідей третього міжнародного науково-технічного симпозіуму. - Алушта. - Львів. - 1998. -С.107-112.

Мороз О.І., Островський А.Л. Узагальнена теорія турбулентності та рефракції. //Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS i GIS-технології. Збірник наукових доповідей четвертого науково-технічного симпозіуму. Алушта - Львів. - 1999. - С.118-125.

Мороз О., Островський А. Про єдність теорії рефракції та турбулентності.// Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS i GIS-технології. Збірник наукових доповідей п'ятого науково-технічного симпозіуму. - Алушта-Львів. - 2000. - С.49-55.

Островський А., Мороз О. Питання оцінки точності геометричного нівелювання , класів//Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS i GIS- технології. Збірник наукових доповідей шостого міжнародного науково-технічного симпозіуму. - Алушта-Львів. - 2001. - С.21-25.

Островський А., Мороз О. Геомоніторинг у геодинаміці та підвищення точності геодезичних вимірів знешкодженням атмосферних впливів//Праці науково-технічного симпозіуму “Геомоніторинг 2002”. - Львів: НУ “Львівська політехніка”. - 2002. - С.12-15.

Клим С.А., Мороз О.І., Черняга П.Г. Експериментальні дослідження точності флуктуаційного методу визначення аномальної рефракції//Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS i GIS-технології. Збірник наукових доповідей четвертого науково-технічного симпозіуму. - Алушта-Львів. - 1999. - С.137-143.

Мороз О.І., Островський А.Л. Диференційний метод врахування впливу атмосфери на радіовіддалемірні виміри//Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS i GIS-технології. Збірник наукових доповідей VII Міжнародного науково-технічного симпозіуму. - Алушта-Львів. - 2002. - С.73-76.

О.Мороз, А.Островський. Закономірності максимальних вертикальних коливань зображень візирних цілей в термічно турбулентній атмосфері і можливості їх практичного використання в геодезії//Геодинаміка. - Львів. - 1999. - № 1(2). - С.37-48.

А.Островський, О.Мороз, П.Черняга. Нові сучасні можливості геодинаміки// Геодинаміка. - Львів. - 1998. - № 1. - С.25-29.

АНОТАЦІЯ

Мороз О.І. Теоретичні основи вертикальної рефракції, способи її визначення, врахування і прогнозування.

Дисертація є рукописом на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.24.01 - геодезія. Національний університет “Львівська політехніка”.

Запропоновано якісно новий підхід до вирішення проблеми вертикальної рефракції під час геодезичних вимірювань, а, зокрема, її аномальної складової, яка обумовлена термічно турбулентним станом атмосфери. Сформульовані основні положення теорії аномальної вертикальної рефракції, яка базується на закономірностях флуктуацій аномальних вертикальних градієнтів температури. Теоретично обгрунтована єдність турбулентності атмосфери і аномальної вертикальної рефракції, викликаних одними й тими ж фізичними явищами, в основі яких лежать закони плавучості та земного тяжіння елементарних частинок повітря. Максимальні флуктуації зображень візирних цілей у зорових трубах геодезичних приладів залежать від максимальних флуктуацій аномальних вертикальних градієнтів температури. Доведено, що у термічно турбулентній атмосфері середня аномальна вертикальна рефракція дорівнює максимальній амплітуді коливань візирних цілей, величина якої прямопропорційна довжині лінії візування. Поставлені експерименти підтверджують правильність теоретичних положень. Обгрунтована можливість прогнозування аномальної вертикальної рефракції за коливаннями візирних цілей. Розроблено основи розрахунків способів та засобів визначення та врахування дії вертикальної рефракції під час вимірювань, які грунтуються на можливості керування лазерним променем за допомогою магнітоелектричних та п'єзоелектричних пристроїв, що живляться від фотоелектричних давачів. Роздільна здатність розроблених засобів відповідає вимогам точності фіксації енергетичної осі лазерного променя. Новизна розробок підтверджена чотирма патентами України.

Ключові слова: вертикальна рефракція, турбулентність атмосфери, коливання зображень, аномальні градієнти температури, лазерний промінь, фотоелектричний давач, дефлектор.

Мороз А.И. Теоретический основы вертикальной рефракции, способы её определения, учета и прогнозирования.

Диссертация является рукописью на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.24.01 - геодезя. Национальный университет “Львовская политехника”.

Предложен качественно новый подход к решению проблемы вертикальной рефракции во время геодезических измерений, в частности, её аномальной составляющей, природа которой обусловлено термически турбулентным состоянием атмосферы. Сформулированы основные положения теории аномальной вертикальной рефракции, которая основывается на закономерностях флуктуаций аномальных вертикальных градиентов температуры. Теоретически обосновано единство турбулентности атмосферы и аномальной вертикальной рефракции, причиной которых являются одни и те же законы физики: плавучести и земного тяготения элементарных частиц воздуха. Максимальные флуктуации изображений визирных целей в зрительных трубах геодезических приборов зависят от максимальных флуктуаций аномальных вертикальных градиентов температуры. Доказано, что в термически турбулентной атмосфере средняя аномальная вертикальная рефракция равна максимальной амплитуде колебаний визирных целей, а величина её прямопропорциональна длине линии визирования. Эксперименты подтвердили правильность основных положений теории. Зависимость максимальных амплитуд колебаний луча света от его длины подтверждена экспериментально в различных климатических условиях при прохождении луча над разнообразными подстилающими поверхностями. Установлено, что, измерив колебания изображений визирных целей во время геометрического нивелирования, можно определить поправки за рефракцию с точностью до 0,03 мм. Точность определения аномальной вертикальной рефракции посредством измерения максимальных амплитуд колебаний изображений визирных целей во время тригонометрического нивелирования составила 1'' для линий длиной 2,5 км. Обоснована возможность прогнозирования аномальной вертикальной рефракции по колебаниям изображений визирных целей для рефракционных полей с разнообразной подстилающей поверхностью. Разработаны основы расчета способов и средств определения и учета действия вертикальной рефракции во время измерений. Учитывать, в частности, аномальную составляющую вертикальной рефракции можно, управляя лазерным лучом. Направление луча фиксируют с помощью фотоэлектрических датчиков, которые служат источником питания для магнитоэлектрических, или пьезоэлектрических устройств управления лучём. Колебания лазерного луча в турбулентной атмосфере генерируют колебания управляющих устройств с тем, чтобы возвратить луч в первоначальное положение и добиться его кратковременной неподвижности. Разработаны работоспособные схемы датчиков и дефлекторов. В случае использования в датчиках квадрантных или сегментных фотодиодов, амплитуда подвижных элементов магнитоэлектрических или пьезоэлектрических дефлекторов может достигать 10' c разрешающей способностью до десятых частей угловой сек. Новизна разработок защищена четырьмя патентами Украины.

Ключевые слова: вертикальная рефракция, турбулентность атмосферы, колебания изображений, аномальный градиент температуры, фотоэлектрический датчик, дефлектор.

Moroz O.I. Theoretical foundation of the vertical refraction, methods of its determination, consideration, and prediction.

Dissertation is manuscript on competition a scientific degree of the doctor of technical science by speciality 05.24.01 - geodesy. National University “Lviv Polytechnic”.

Qualitatively new approach to the solution of the vertical refraction problem during geodetical measurements in particular amonal component of the vertical refraction conditioned by thermal turbulence state of atmosphere was proposed. Principal thesis of the anomal vertical refraction theory, which base on the nature of fluctuations of the anomal vertical temperature gradients was formulated. It was proved unity of the atmospherical turbulence and anomal vertical refraction found on one and the same physical phenomenon such as floatage law and Earth's gravity of the air elemental particules. Maximal fluctuations of the sight targets images in the telescope of the geodetic instruments depend on maximal fluctuations of the anomal vertical temperature gradients. It was proved that mean anomal vertical refraction in the thermal turbulence atmosphere equals to maximal fluctuations magnitude of sight targets, and proportions to length of sight line. Performed experiments confirm that theoretical theses are correct. Possibility of the anomal vertical refraction prediction by sight target fluctuation was founded. It was created the calculations bases of the methods and means of the determination and consideration of the vertical refraction influence during measurements, which base on possibility of the laser beam control by electro-magnetic devices felded from photo-electrical devices. Resolution of the created means corresponds to accuracy conditions of the laser beam axis fixation. Novely is protected by fourth Ukraine patents.

Key words: vertical refraction, turbulence of atmosphere, fluctuation of sight, anomal gradients of temperature, laser beam, photo-electrical devices, deflector.

Размещено на Allbest.ru