Accuracy Test of Laser Station under Conditions of Air Turbulence

• Autorzy: Kwiecień J. , Bujarkiewicz A.

Identyfikatory

DOI

10.7494/geom.2017.11.3.67

Warianty tytułu

PL

Badanie dokładności stacji laserowej w warunkach turbulencji powietrza

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The application of laser stations to industrial metrology indoors is discussed. In this work, only the analysis of the impact of air turbulence to determine the angle of laser wave propagation is discussed, and other meteorological parameters (pressure, humidity) and particles of pollutants (dust, smoke) are ignored. The main aim of this paper was to test the usefulness of a laser station under turbulent air conditions indoors and to estimate the accuracy of this device with values such as angle and distance measurements. Finally, an experimental setup and a method for measuring the turbulence structure coefficient are described. Tests in turbulent air conditions have shown a radical decrease in measurement accuracy. This is demonstrated by both a decrease in power and an increase in the standard deviation of a laser beam, as well as a decrease in the precision of angle and distance measurement. The experimental results show a high correlation between the predicted and measured values.

PL

W artykule przedstawiono zastosowanie stacji laserowych do metrologii przemysłowej w pomieszczeniach zamkniętych. W pracy poddano analizie wpływ turbulencji powietrza na zmianę kąta propagacji fali laserowej. W badaniach nie uwzględniono zmian ciśnienia atmosferycznego, wilgotności oraz występowania oraz występowaania cząstek zanieczyszczeń powietrza (pyłu, dymu). Głównym celem tego opracowania było zbadanie przydatności stacji laserowej w warunkach turbulentnego powietrza wewnątrz budynku oraz oszacowanie dokładności tego urządzenia przy pomiarach kątów i odległości. Opisano również aparaturę eksperymentalną i metodę pomiaru współczynnika struktury turbulencji. Testy w turbulentnych warunkach powietrza wykazały radykalny spadek dokładności pomiaru. Wynika to zarówno ze zmniejszenia mocy, jak i wzrostu standardowego odchylenia kąta propagacji wiązki lasera, a także zmniejszenia dokładności pomiaru kąta i odległości. Wyniki eksperymentalne potwierdziły wysoką korelację między wartościami przewidywanymi a zmierzonymi.

Słowa kluczowe

EN

laser station; industrial surveying; large-scale metrology; random propagation of laser beam

PL

stacja laserowa; pomiary przemysłowe; metrologia; propagacja wiązki laserowej

• Wydawca: AGH University of Science and Technology Press
• Czasopismo: Geomatics and Environmental Engineering
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 11, no. 3
• Strony: 67--83
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., wykr., tab., rys.

Twórcy

autor

Kwiecień J.

• UTP University of Science and Technology in Bydgoszcz, Faculty of Civil and Environmental Engineering and Architecture, Department of Geomatics, Geotechnics and Spatial Economy, Bydgoszcz, Poland

autor

Bujarkiewicz A.

• UTP University of Science and Technology in Bydgoszcz, Faculty of Civil and Environmental Engineering and Architecture, Department of Geomatics, Geotechnics and Spatial Economy, Bydgoszcz, Poland

Bibliografia

• [1] Franceschini F.: Large-Scale Dimensional Metrology (LSDM): from tapes and theodolites to multi-sensor systems. International Journal of Precise Engineering and Manufacturing, vol. 15, issue 8, 2014, pp. 1739–1758.
• [2] Gulich D., Funes G., Zunino L., Perez D.G., Garavaglia M.: Angle-of-arrival variance’s dependence on the aperture size for indoor convective turbulence. Optics Communications, vol. 277, no. 2, 2007, pp. 241–246.
• [3] Galetto M, Mastrogiacomo L, Pralio B.: An innovative indoor coordinate measuring system for large-scale metrology based on a distributed IR sensor network. [in:] Proceedings of the ASME 2009 International Manufacturing Science and Engineering Conference (MSEC2009): October 4–7, 2009, West Lafayette, Indiana, USA, 2009, pp. 1–9.
• [4] Peggs G.N., Maropoulos P.G., Hughes E.B., Forbes A.B., Robson S., Ziebart M., Muralikrishnan B.: Recent developments in large-scale dimensional metrology. [in:] Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, vol. 223, issue 6, 2009, pp. 571–595.
• [5] Kwiecień J.: The influence of temperature factors on the results of remote and continuous displacement measurements using laser in closed rooms. [in:] Geodetic Measurements of Deformations 4th. Proceedings of International Symposium FIG PC/85, Katowice 9–16 June 1985, pp. 244–253.
• [6] Kwiecień J.: De invloed van turbulentie op een laserstraal in een gesloten ruimte. NGT Geodesia, no. 11, 1985, pp. 12–18.
• [7] Kwiecień J.: Determination of heights by laser alignment. Survey Rewiev, vol. 28, issue 222, 1986, pp. 411–418.
• [8] Kwiecień J.: Automatyczne laserowe tyczenie prostej odniesienia w pomieszczeniach fabrycznych ze szczególnym uwzględnieniem turbulencji atmosferycznej. Rozprawy nr 32, Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy 1989.
• [9] Kwiecień J., Żak M.: Refraction free method of Laser Alignment. [in:] 2nd International Workshop on Accelerator Alignment (IWAA 90) 10–12 Sep 1990. Hamburg, Germany, 1990, pp. 305–313.
• [10] Tatarsky V.I.: The effects of the turbulent atmosphere on wave propagation. Israel Program for Scientific Translations, Springfield Company, 1971.
• [11] Chiba T.: Spot dancing of the laser beam propagated through the turbulent atmosphere. Applied Optics, vol. 10, no. 11, 1971, pp. 2456–2461.
• [12] Strohbehn J.: Laser beam propagation in the atmosphere. Springer Verlag, New York 1978.
• [13] Alim, Ngo Nyobe E., Pemha E.: Theoretical prediction and experimental validation of the angle-of-arrival probability density of a laser beam in a strong plane-flame turbulence. Optics Communications, vol. 283, no. 9, 2010, pp. 1859–1864.
• [14] Frehlich R.: 2000. Simulation of laser propagation in a turbulent atmosphere. Applied Optics, vol. 39, no. 3, pp. 393–397.
• [15] Pemha E., Ngo Nyobe E.: Genetic algorithm approach and experimental confirmation of a laser-based diagnostic technique for the local thermal turbulence in a hot wind tunnel jet. Progress in Electromagnetics Research B, vol. 28, 2011, pp. 325–350.
• [16] Pemha E.: Correlations of Deflection Angles of a Laser Beam in a Hot Turbulent Jet of Air: Theoretical Determination and Experimental Measurement of the Structure Coefficient of Refractive Index Fluctuations. Progress in Electromagnetics Research B, vol. 42, 2012, pp. 425–453.
• [17] Weiss A.: Determination of thermal stratification and turbulence of the atmospheric surface layer over types of terrain by optical scintillometry. Swiss Federal Institute of Technology, Zurich 2002 [Diss. ETH No. 14514, Ph.D. Thesis].
• [18] Wei H., Ma Q.: Log-amplitude variance of laser beam propagation on the slant path through the turbulent atmosphere. Progress in Electromagnetic Research, vol. 108, 2010, pp. 277–291.
• [19] Dordová L., Wilfert O.: Laser Beam Attenuation Determined by the Method of Available Optical Power in Turbulent Atmosphere. Journal of Telecommunication and Information Technology, vol. 2, 2009, pp. 53–57.
• [20] Zunino L., Gulich D., Funes G., Pérez D.: Turbulence-induced persistence in laser beam wandering. Optics Letters, vol. 40, issue 13, pp. 3145–3148.
• [21] Zobrist T., Burge J.H., Peng S., Chunyu Z.: Use of a commercial laser tracker for optical alignment. [in:] Optical System Alignment and Tolerancing: 26–27 August 2007, San Diego, California, USA, Proceedings of SPIE 6676, SPIE, 2007.
• [22] API Automated Precision. [on-line:] http://www.apisensor.com [access: 12.08.2015].
• [23] Faro. [on-line:] http://www.faro.com [access: 12.08.2015].
• [24] Leica Geosystems. [on-line:] http://leica-geosystems.com/ [access: 12.08.2015].
• [25] Kwiecień J.: The influence of atmospheric conditions on the results of laser geodetic survey. Rendiconti del Seminario della Facolta di Scienze dell’Univerisita di Cagliari, Italy 1982.
• [26] Dinther D. van, Hartogensis O.K., Moene A.F.: Crosswind from a Single-Aperture Scintillometer Using Spectral Techniques. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, vol. 30, 2013, pp. 3–21.
• [27] Davis J.I.: Consideration of Atmospheric Turbulence in Laser Systems Design. Applied Optics, vol. 5, no. 1, 1966, pp. 139–147.
• [28] Kolmogorow A.A.: Dissipation of energy in locally isotropic turbulence. Akademic-Verlag, Berlin 1978.
• [29] Holejko K.: Precyzyjne elektroniczne pomiary odległości i kątów. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1981.