培训教材-测量基础

1、第一部分测量技术基础新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇第一章角度测量精确测定地面点的位置和高程是测绘工作的主要任务之一。通常采用的方法是测定一定数量的角度和长度，按一定的计算方法得到。测量角度的仪器主要是经纬仪，主要包括光学经纬仪和电子经纬仪两大类别，本章着重讨论角度测量的概念、电子经纬仪的测角原理。11角度的概念一、水平角水平角是指两条空间相交直线在某一水平面上投影之间的夹角，通常用于确定地面点的平面位置。如图 1 1所示。 、 、 是三个不同高度的地面标志点，、 两条空间直线在过P点的水平A P BPA PB面上投影后为 pa和 pb，它们之间的夹角 apb称为 P对 A、B两点的水平角

2、 , 常用字母表示。要测定水平角，可以设想将一个有顺时针角度分划的圆盘（度盘）置于测站点上，使其圆心P与 P点重合或者位于同一铅垂线上，并安置水平。在度盘的中心上方，设置一个既可以水平转动、又可以铅垂俯仰的望远镜照准装置，以及与其水平转动联动的位于度盘上的读数指标线，这样望远镜分别照准 A、 B点，即可得到度盘上指标线处的读数a0、 b0 , 显然水平角为：b0a0a0、 b0 值称为 P对于 A、 B目标点的方向值。WaTbAPBEapb图 11水平角的概念二、垂直角垂直角是指空间直线与水平面的夹角， 通常用于确定地面点的高程。 测量中规定从水平面开始，向上量为正，也称为仰角；向下量为负，也

3、称为俯角，通常用希腊字母表示。如图 1 2中，照准方向线OA与O点的水平面OA 的夹角，即为 O点对于 A点的垂直角。A0Z270O900A180图1 2 垂直角的概念为了测定垂直角，原理上可以设想在前述望远镜照准装置赖以俯仰的水平轴的一端安置一个度- 2 -新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇盘， 0180 直径方向与铅垂线同向，盘面铅垂，圆心与水平轴重合，称为垂直度盘；再于垂直度盘上设置一个与望远镜方向同步的读数指标线。这样，当望远镜照准目标A 时，依指标线在垂直度盘上读取读数，水平位置的读数0 与之差，即为O点对于 A点的垂直角。实际仪器中是使读数指标固定于一不变位置，通常在铅垂线方向(

4、或水平方向) ，而度盘与望远镜固连在一起，且0180 直径方向与望远镜轴线平行，随望远镜的俯仰而旋转，照准目标后读取铅垂方向读数，按90计算同样也可得到垂直角。在重力的作用下，地面上每一点均有一条指向下的铅垂线方向( 即自由落体方向) ，我们定义铅垂线的反方向 ( 指向天顶 ) 称为该点的天顶方向，从天顶方向量到某一空间直线方向的角度Z( 在铅垂面内 ) 称为天顶距，用英文字母Z表示，显然 OA直线方向的天顶距Z与垂直角的关系为： 90 Z实际应用时可使用垂直角也可使用天顶距。另外，天顶距可以大于90 ，故无正负之分。- 3 -新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇1 2经纬仪测角的基本概念一、

5、经纬仪的整置到达测站点之后，在开始角度观测之前，测量员需要整置经纬仪。整置经纬仪包括对中、整平、调焦三个步骤。1对中对中的目的是使经纬仪的水平度盘中心与测站点标石中心位于同一铅垂线上。精确对中的方法有垂球法和光学对点器法。下面分别介绍其操作方法：（1）垂球法先把脚架腿伸开，长短适中，选好脚架尖入地的位置，凭目估，尽量使脚架面中心位于标石中心正上方，并保持脚架面概略水平。将垂球挂在脚架中心螺旋的小勾上，稳定之后，检查垂球尖与标石中心的偏离程度。若偏差较大，应适当移动脚架，并注意保持移动之后脚架面仍概略水平；当偏差不大时（约 3厘米以内），取出仪器，扭上中心固定螺旋，剩下半圈丝，不要旋紧，缓慢使仪

6、器在脚架面上可以前后左右的移动，垂球尖静止时精确对准后标志中心，拧紧中心固定螺旋，对中完成。（2）光学对点器法将脚架腿伸开， 长短适中， 保持脚架面概略水平，平移脚架同时从光学对点器中观察地面情况，当地面标志点出现在视场中央附近时，停止移动，缓慢踩实脚架。旋转机座升降螺丝并观察地面标志点的移动情况，使对点器的十字丝中心对准地面标志点，此时园水准器不居中。松开脚架腿固定螺丝，适当调整三个脚架腿的长度，使园水准器居中，此时地面标志点略微偏离十字丝中心。重复上述过程 2 3次，直至地面点落于十字丝中心同时园水准器也处于居中状态，对中完成。利用光学对点器对中较垂球法精度高，一般误差在1mm左右，同时不

7、受风力的影响，操作过程简单快速，因而应用普遍。2整平整平的目的是让经纬仪竖轴位于铅垂线上。通常是先让圆气泡居中，使仪器概略置平。由于重力的作用，水准器中的气泡总是向高处移动，脚螺旋顺时针转( 从上向下看 ) 时总是抬高照准部，反时针旋转时总是降低照准部，所以用左手旋转脚螺旋时，气泡总沿食指移动方向运动。用管水准器置平时，通常是先让管气泡平行于某两个脚螺旋的连线，如图13(a) 。旋转这两个脚螺旋，使气泡居中，然后转动照准部，使管水准器垂直于该两个脚螺旋连线，如图1 3(b) 。此时，只转动第三个脚螺旋，使气泡居中，如此反复2 3次，仪器在互相垂直的两个方向上均达到气泡居中，即达到了精确置平。(

8、a)(b)图 1 3经纬仪整平（ 3）调焦调焦包括目镜调焦和物镜调焦，物镜调焦的目的是使照准目标经物镜所成的实像落在十字丝板上，目镜调焦的目的是使十字丝连同目标的像（即观测目标）一起位于人眼的明视距离处，使目标的像和十字丝在视场内都很清晰，以利于精确照准目标。- 4 -新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇先进行目镜调焦，将望远镜对向天空或白墙，转动目镜调焦环，使十字丝最清晰( 最黑 )。由于各人眼睛明视距离不同，目镜调焦因人而异。然后进行物镜调焦，转动物镜调焦螺旋，使当前观测目标成像最清晰。调焦是否正确，可将眼睛在目镜后上下左右移动，若目标影像和十字丝影像没有相对移动，则说明调焦正确；否则，观

9、察到目标影像和十字丝影像相对移动，则说明调焦不正确，这种现象称为十字丝视差。它将影响观测的精度，特别是进行高等级观测时，尤其应当注意。图1 4的前两种情况，为调焦不正确；后一种情况，为调焦正确。像平面像平面像平面十字丝平面十字丝平面十字丝平面bcaaacb图1 4 十字丝视差二、水平角方向观测法在地形测量中，观测水平角通常采用方向观测法和复测法，且以前者居多，亦称全圆观测法；只有当精度要求较高，而使用的仪器等级较低时，方采用后者。水平角观测时必须用十字丝的纵丝照准目标，如图 1 5所示，根据目标的大小和距离的远近，切准目标的方式可以选择单丝切准或双丝夹准。图 15水平角观测的目标照准如图 1

10、6， O点为测站点，欲观测方向A、 B、 C、D四个方向的水平角，方向观测法步骤如下：1安置度盘多个测回观测时，为了减弱度盘刻划误差影响，使读数均匀分布在整个度盘上，规范要求观测时要变换度盘的起始位置。通常要求各测回起始度盘位置读数G，对 J2 和 J6型经纬仪， G分别为：J2型： G180(k1)10 (k1)600( k1)mm2J6型：G180(k1)60(k1)mm式中， m为测回总数， k为测回序号（k=1， 2，.）。BCOAD- 5 -新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇图1 6 方向观测法在每测回观测前，都应该重新安置度盘。2观测（1）上半测回盘左（垂直度盘位于望远镜的左侧）

11、先照准第一方向A（因计算时将第一方向的方向值强制归零，故也称该方向为零方向），读取水平度盘读数为L1 ，然后依顺时针方向分别照准B、 C、D方向，得盘左读数为L2、 L3、 L4 ，测完最后一个方向，继续顺时针转到零方向，再次盘左照准，得读数“，这种在盘左位置二次观测零方向的作法称为上半测回归零。规范规定只有方向数超过三个时才L1进行归零。于是得上半测回归零差上为：“上L1L1（2）下半测回上半测回归零之后，纵转望远镜，使垂直度盘位于望远镜右侧（称盘右），先照准零方向，得盘右读数 R1 ，逆时针旋转，依次照准D、C、 B、A，得盘右水平度盘读数R4 、 R3 、 R2 、 R1 ，在盘右位置上

12、二次观测零方向称为下半测回归零。则下半测回归零差下为：“下R1R1上下两个半测回称为一测回。至此，一测回观测完成。三、指标差及垂直角计算公式的推证我们知道，垂直度盘读数是通过指标来实现的，而指标的安装位置及度盘的刻划方式不同，将使得垂直角的计算方法不同。同时指标安装的实际位置与其设计位置通常难以完全一致，也必将对垂直度盘读数产生影响，这种影响我们称之为垂直度盘指标差，以i 表示。对于 020、 030、 T2等多数仪器，指标的设计位置为铅垂线方向，当照准轴水平时，读数应为90 （或 270 ），由于指标差的存在 ，实际读数将偏离 90 ，此偏离值即为指标差i ，如图 1 7（ a）所示。目标目

13、标27027090018018右0 081左00720i09i0 9i指标指标指标（ a）(b)(c)图 1 7 垂直角与指标差的关系为了推证指标差和垂直角的计算公式，首先绘制出垂直角观测时照准轴、度盘、指标的关系示意图，并标出指标差i 、度盘读数及垂直角。图 1 7（ b）、1 7（ c）分别为照准一高目标时，盘左和盘右观测的示意图。由图可知：90左i- 6 -新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇右270i将上面两式联立求解垂直角和指标差：1i(LR360)212(RL180)分析上面两式可知，对于垂直角半测回来说，在盘左、盘右读数中含有指标差的影响，因此利用半测回读数计算垂直角时， 应加入

14、指标差改正； 而对于一测回， 盘左、 盘右读数联合计算垂直角，由于两个读数中均含有指标差的影响， 且相互抵消， 因而指标差对于一个测回垂直角观测没有影响；同时，虽然指标差受外界温度的变化、震动等因素会发生微小改变，但在短时间内指标差接近一个常数。故规范规定一个测站上同组、同方向、各测回的指标差之差，不应超过一定的限制，以此作为衡量垂直角观测质量的依据。- 7 -新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇1 3电子经纬仪测角原理八十年代之后，现代电子技术渗透到测绘仪器制造行业，西方发达国家生产出了新一代角度测量仪器电子经纬仪。与光学经纬仪一样，电子经纬仪也有照准部和望远镜、三轴系统等，不同的是电子经纬

15、仪的度盘和读数系统采用了光电技术，角度测量数字结果可以直接显示在屏幕上，也可通过输出端口向电子手簿或计算机自动传送测量结果，测量员只需用望远镜照准目标，数据自动记录，大大降低了读错、记错的几率，同时也提高了测量作业的自动化程度。电子经纬仪和全站仪的型号很多，但其测角原理和方法有许多相似之处，其类型主要有以下三种：编码度盘测角、光栅增量式测角和光栅动态测角。一、编码度盘测角原理1415011322311410159 68 7图1 8 四码道编码度盘在光学圆盘上设置有一定宽度的同心圆缝隙， 每一圈成为一个码道， 并代表二进制的一个数位，这样便可以得到一个包含多个码道的按二进制规律组合起来的图案，这

16、种带有编码图案的光学圆盘成为光学编码度盘，图1 8为仅有四个码道的编码度盘示意图。利用编码度盘测角是电子经纬仪中采用最早、也较为普遍的电子测角方法。它是以二进制为基础，将光学度盘分为若干个区域，每个区域用一二进制码来表示。这样，当照准方向确定后，方向的投影落在度盘的某一区域上，即该方向对应一二进制编码，通过发光二极管和接收二极管，将度盘上的二进制编码信息转换为电信号，再通过模数转换，得到一可读角值。编码度盘类似普通光学度盘，每个方向都单值对应一个编码输出，不会因掉电或其它原因而改变这种对应关系。另外，利用编码度盘不需要基准数据，就可得到绝对方向值。因此，这种测角方法也称为绝对式测角法。编码度盘

17、的优点是：能实时反映角度的绝对值，可靠性高，误差不积累，调试简单，有较强的环境适应性。由于二进制只有“ 1”和“ 0”两种状态，与电器元件的导通和截止两种物理状态相对应，用逻辑代数或布尔代数很容易对其进行技术处理。二进制码盘的码道数n与其容量 M 之间的关系为：M2n图1 8中，码道数 n=4，则码盘的容量 M 2416 ;这意味着将一圆周等分16等分（或 16个扇区），因此，码盘的分辨率与码道数之间的关系如下：360M从理论上讲，为了满足较高的角度分辨率，可以增加码道数和相应的扇区数。但是从实际技术上来看，则是困难的，主要有下列原因：（ 1）将码盘信息经光电转换为方向值的接收器件不可能无限小

18、，因此，码道数越多，势必要使度盘直径越大。如图（1 9）所示，若光电接受二极管的尺寸只能是S *R ，即在光电接收管尺寸一定的情况下，码道数越多，要求的度盘半径R越大。- 8 -新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇Rn某一状态S 1度盘中心光电接收管图 1 9 码道数与度盘直径的关系（ 2） 实际度盘的半径不可能很大，作为一种实用的仪器，其体积是有一定的限制的，一般度盘的直径在 100mm左右。由此可见，要提高编码度盘的测角分辨率，必须采用角度测微技术。对于纯二进制码盘来说，由于度盘刻制工艺上存在公差或光电接受管安装不严格，有时会使测量出现大的粗差。如四个码道的度盘，有16个扇区，第 0状态可

19、表示为 0000 ，而第 15状态可表示为 1111，它们是相邻的。由于刻制工艺问题，透光与不透光的交界线可能不会完全齐。当光电接收管位于状态 0和状态 15的交界处时，可能会把0000读成 1000 ，而该值对应的状态是8，使本来相邻的两个状态读数结果相差180，这是不允许的。有时即使相邻状态的分界线很齐，但若光电接收管安装稍有偏差不可能严格位于一条直线上时，也会出现类似的现象。正是基于这一点，在电子经纬仪的编码度盘上引入了葛莱码。用纯二进制码盘测角可能出现大的粗差的主要原因是相邻两个区域的码道状态同时有几个发生变化。为了克服这一缺点，H.T.Gray 于 1953年发明了葛莱码，它使整个码

20、盘的相邻码道只有一个码道发生变化，所以也称为循环码。这样，即使当读数位置处于两个状态的分界线上或光电接收管安装的不严格时，所得的读数只能是两个相邻状态中的一个，使得可能产生的误差不超过十进制的一个单位。二、光栅增量式测角原理1 光栅测角原理和装置远在几个世纪以前，法国丝绸工人发现，用两块薄丝布叠在一起，能产生绚丽的水波样的花纹，当薄绸相对移动时，花纹也随之变化。当时把这种有趣的花纹叫做“莫尔”（ MOIRE）即“水波纹” 。这便是初期的光栅。一百多年以前人们已将光栅的衍射现象用于光谱分析和光波波长测量，上世纪五十年代，光栅已用于计量和测量领域。光栅与莫尔条纹所谓光栅是由许多等间隔的透光刻划和不

21、透光刻划的缝隙组成。为了满足不同的需要，又可分为计量光栅和物理光栅两大类，物理光栅的结距较小，一般在0.0005-0.002mm之间，它的主要工作原理是基于光栅的衍射现象。而计量光栅的结距相对较大，一般在 0.01-0.05mm, 因而刻划较粗。根据测量对象的不同，又可分为测量直线位移的直线光栅和测量角度位移（光栅度盘）的圆光栅，在角度测量中主要使用圆光栅。光栅产生的莫尔条纹，相对于光栅的方向可以是横向、纵向和斜向。为了便于理解光栅测量原理，下面简要介绍莫尔条纹的形成和特性。图 110 光栅与莫尔条纹- 9 -新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇光栅1光栅2图 111 莫尔条纹的形成横向莫尔条

22、纹，用两块具有相同节距W的直线光栅重叠在一起，并使它们形成一个很小的夹角，就会在两块光栅的重合部位形成了一系列交叉的不透光图案，和一系列的菱形的透光图案。在整个光栅面上，均匀的分布着明暗条纹，这便是莫尔条纹, 见图（ 1 10）. 莫尔条纹的间距B与光栅的节距 W及两光栅的交角的关系可由图111得到：WB2sin 2一般来说很小，故上式可简化为BW由于很小，可见 B要比 W宽得多，这就是莫尔条纹的放大作用。又因条纹的方向与角的平分线垂直，所以称这种条纹为横向莫尔条纹。图 112 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹，将两块节距为W和（ 1） W（ 1，即两光栅的节距差很小）的直线光栅平行地重合在一起，则可

23、形成纵向莫尔条纹，见图（1 12）。条纹的间距 B为B1W1W当节距较小的一块沿着光栅刻划的垂直方向移动时，纵向莫尔条纹也沿着同一方向移动；当节距较大的一块光栅移动时，莫尔条纹沿反方向移动。由于和W都是定值，所以纵向莫尔条纹的间距是不能调整的。斜向莫尔条纹，将形成纵向莫尔条纹的两块光栅中的一块转动一个小角度，则形成的莫尔条纹同时具有纵向和横向莫尔条纹的属性，称为斜向莫尔条纹。条纹的斜角和间距B为：tgcostg(1cos)B(1)Wcos1(sin 2(1 )2) 2莫尔条纹具有如下的特性：-10-新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇 莫尔条纹移动与光栅相对移动相对应当光栅相对移动一个节距 W

24、时，莫尔条纹（横向） 就沿着近于垂直刻划方向移动一个条纹宽度 B。当光栅移动方向改变时，莫尔条纹的移动方向也随之改变。因此，只要知道莫尔条纹的移动数目，就可知道光栅相对移动的数目了。 莫尔条纹具有移位放大作用条纹宽度 B与栅距 W之比称为莫尔条纹的放大倍数K。KB1W一般角的取值很小，因此 K很大，这时的莫尔条纹就像一个高效的前置放大器，一般的光学机械方法是很难做到的，莫尔条纹的可调范围很宽，在一个条纹间隔中还可以设置电子测微装置，以实现高分辨率测角。 莫尔条纹具有平均光栅误差的作用莫尔条纹是由一系列的光栅刻线交点组成，若光栅的栅距有误差，则交点的连线不会是直线，但光电接收器件收到的光信号是进

25、入指示光栅视场内的所有信号数 N的平均光能，该光能是将栅距误差取平均值使用的结果。设单个栅距的误差为，形成莫尔条纹的视场内有N条刻线，则栅距的平均误差为：N例如 AGA700型电子速测仪的径向光栅每毫米约有100刻线，若单个刻线的误差1 m ，用10 10mm的光电接收器件，则 N 100 10 1000（刻线），故0.03 m 。所以，人们利用莫尔条纹的这一特点，可以比较容易地实现高精度测量，此外还可以利用光栅来控制光栅的制造过程，使之生产出比样本光栅更好的光栅，这便是所谓的光学优生法原理。 莫尔条纹便于自动控制和数字化测量莫尔条纹有较大的反差和光强变化， 便于将被测量的物理量正确、 高速地

26、传递给其它探测系统，以便实现制动控制和数字化测量。2. 莫尔条纹的模数转换原理及装置光栅读数装置是将光栅的光信号转换为电信号的器件。是光栅计数和电子测微的信号源。光栅读数装置一般包括光源、照明系统、主光栅、指示光栅、接收光学系统、光电探测器件等部分。其原理如图（ 1 13）所示。1光源2透镜3 主光栅4 指示光栅5 接收物镜6 光探测器图1 13 光栅模数转换原理光源发出的光束经透镜变成一束亮度均匀的平行光，照亮主光栅3和指示光栅 4，由于主光栅和指示光栅之间的相对运动而输出光强交变的莫尔条纹信号。该信号经接收物镜5后到达光探测器6，由此转换为描述莫尔条纹的电信号，供光电计数和电子测微使用。光

27、栅读数的方式有透射式和反射式两类。在AGA700和 E2电子速测仪上， 用光学的方法把光栅度盘的影像重叠到对径180 的光栅上， 以替-11-新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇代指示光栅，这种光栅读数装置消除了度盘偏心差，又将光栅的相对移动量扩大了一倍，提高了光栅度盘的分辨率，如图（ 1 14）所示。发光二极管光栅度盘光电接收管图 114 AGS700光栅读数系统Wild TCL 电子速测仪采用反射式光栅读装置，由于采用反射式光栅度盘和具有特殊功能的相位分析光栅，使莫尔条纹的分辨率提高四倍。为了消除度盘偏心差的影响，在度盘对径位置上设置了两个光栅读数头。另外，光栅读数装置还需考虑以下几个问题

28、：为了提高测角精度，必须采用角度的测微技术；为了实现正确计算，必须进行计数方向的判别。由于这种测角的方法是通过对光栅计数来确定角值的，因而也称为增量式测角。仪器可以顺时针也可以逆时针转动，如果照准部顺指针方向转动时计数累加，而当转过了目标，还必须按逆时针方向旋转回到目标。这样，计数系统应从总计数中减去逆时针旋转的计数。因此，该计数系统必须具有方向判别功能，才能得到正确的角值。为了判别方向，最为简单的方法是再增加一个光电二极管，它与原来的获取计数信息的光电二极管的间隔为莫尔条纹的四分之一（B/4），使得这两个光电二极管所获取的信号的相位差为90，如图（ 1 15）所示，当照准部顺指针转动时，莫尔

29、条纹从左向右移动，则b 光电二极管获取的信号总是比a光电二极管获取的信号滞后90 。这样，由于旋转方向的不同，a、b光电二极管所获取的信号的相位差发生了变化，在电路上就可以利用这种变化来控制脉冲计数，使照准部顺指针转动时可逆计数器进行加法运算。反之，进行减法运算。最后获得正确的角度。指示光栅abB/4度盘局部图 115 光栅计数的方向判别角度的电子测微技术无论是编码度盘还是光栅度盘，直接测定角度的精度是很低的。如将一度盘刻成8个码道，已经不是简单了，而其角度分辨率仅为360 / 281.4 ，这是由于受到度盘直径、度盘刻制技术和光电读数系统的尺寸所限制。同样对于光栅度盘也是如此。角度电子测微技

30、术是运用电子技术对交变的电信号进行内插，从而提高计数脉冲的频率，达到细分的效果。光栅测微的途径有三种：机械法、光学法和电子细分法。也有三种方法结合在一起的综合法。目前，电子细分法以其测微精度高、系统简单等显著的优越性已成为通用方法。下面介绍常用的电子测微方法四倍频直接测微法。该法有英国费南梯（ Ferranti ）公司首创，是目前各种电子测微技术的基础。在上面介绍光栅度盘方向判别时已经提到，为了判别计数方向，必须另加一个光电二极管，其位置与原来读数的光电二极管的间隔为四分之一莫尔条纹宽度（B/4 ），使得两光电二极管所获-12-新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇取的信号的相位差为90 。每移

31、动一个光栅，就会产生一个莫尔条纹的移动，且被光电二极管接收的莫尔条纹的亮度变化一周。 这样，每通过一个条纹， 两光电二极管收到的信号就有四个过零点 1、2、 3、 4。如图（ 1 16）所示。经过一定的电路就可将四个过零点转化为四个脉冲，且相邻两脉冲的间隔为 90 ，相当于 B/4, 故称四倍频。在该法中，光电信号整形后产生计数脉冲并进行编码，中间不必提取测微信息，故有称为直接测微法。光电二极管a光电二极管b图 116 两路信号地四个过零点信号四相计数编码可 逆数 字数字输入取样电路电路计数器显示器输出图 117 四倍频直接测微法方框图图（ 1 17）为四倍频直接测微法的方框图。信号经过四相取

32、样电路后得到四个相位差为90 的电信号 u1、 u2、 u3、u4：U 1A0AsintU 2A0A costU 3A0AsintU 4A0A cost其中 A0 为直流分量。为了消除这一直流分量，一般利用差分放大器来实现，然后得到四个相差为 90 的信号为：U 13U 1U 32 AsintU 24U 2U 42 AcostU 31U 3U 12A sintU 42U 4U 22 Acost上式四个信号经过差分放大、过零鉴别器后，形成方波信号，该方波信号一路经过编码电路形成方向判别信号，另一路经微分电路形成尖脉冲，做为编码电路的计数信号，其原理见图（ 1 18）。编码电路由与门和或门构成，其

33、加法脉冲和减法脉冲输出逻辑表达式为：-13-新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇Qt1 p4t 2 p1t 3 p2t4 p3Qt1 p2t2 p3t 3 p4t4 p1这样便得到了供计数器使用的正反计数脉冲，既实现了正反向测量的方向判别问题，又解决了测角中的测微和计数问题。t1监零微分p0 电位U 1差放1加t2脉U2差放监零微分p2触Q 冲单主t3发Q脉p3冲U 3差放监零微分器稳 减t4Q脉U4差放监零微分p4冲1 电位图 118 测微计数和方向判别电路原理框图三、光栅动态测角原理光栅动态测角方式是建立在计时扫描绝对动态测角基础之上的一种电子测角方式。系统由绝对光栅度盘及驱动系统，与机座

34、固连在一起的固定光栅探测器和与照准部固连在一起的活动光栅探测器，以及数字测微系统等组成。图（1 19）为 T2000电子全站仪测角系统示意图。L sL r00图 119T2000电子经纬仪动态测角原理在测角过程中， T2000的度盘以特定的转速旋转，并用对径读数的中数消除度盘偏心差，另外，测角时，是对度盘上所有的刻划进行计量，然后取中数作为观测结果，彻底消除了度盘刻划误差，也大大提高了测角精度。在度盘的圆周均匀刻划了黑白相间的光栅条纹1024条，且一般刻划线（不透光）的宽度为刻划间隔（透光）的宽度的2倍。所以，每个光栅的角值即光栅度盘的单位角度 0为：606036001265. 6251024

35、角度信息是通过光电信号的扫描来获取，其光电扫描装置（读数头）。在光栅度盘的内沿对径位置设置了一对与机座固连在一起的光栅探测器Ls ，而外沿对径设置了一对与照准部固连在一起的活动光栅探测器LR ，它与照准部一起旋转。 我们可以将Ls 视为零位。 LR-14-新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇则相当于望远镜的视准线，Ls 与 LR 之间的夹角，即为待测的角度。为了便于确定角度计量的起始位置，度盘上间隔90 的位置还刻有 A 、B、C、D共四个粗细不同的编码标志，以便计量Ls 与 L R 之间的光栅数。所以也有人称之为绝对式测角。启动测角指令后，度盘在马达的带动下，以一定的速度旋转，使光电探测器断

36、续的收到透过光栅度盘的红外线，并转换为高、低电平信号，这样便可实现对度盘的扫描。设0 为一个刻划周期的圆周角，度盘的刻划总数为N ，则对于任意角度，我们总可以将其表示为：n 0其中： n为正整数； 00 ；由上式可知，只要测出n和，则角度即可确定。在图中，由Ls 和 L R 波形的前沿存在一个时间延迟t ，它和的变化范围相对应，t 的变化范围为 0- T0 ， T0 为一个光栅信号周期。由于马达的转速一定，所以度盘的转速也是一定的，故有：0tii其中： i =1、2N；T0t i 用脉冲填充的方法精确测定，处理器计算出值，作为最后结果。1Ni 后，再按下式计算整周多周次测量的平均Ni1N值的测

37、定是利用不同的四个编码刻划实现的。当度盘旋转一周时，四个编码刻划分别经过Ls和 L R 一次， L s 和 LR 发出的信号依次为RA、 SA 、 R B 、 SB、 R C、 SC、 R D、 SD 。 A 刻划由 Ls 转到 L R 所对应的时间为 TA ，则待测角中所含的0 的个数 nA 可由下式给出：n ATAT0同理，其它三个编码刻划也可测出三个n值 nB、 nC 和 nD ，微处理机将一周测出的四个n值加以比较，若有差异，则自动重复测量一次，以保证n值的正确性。光栅度盘扫描完毕后，由微处理机将和 n0 进行衔接，得到角度值。-15-新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇第二章距离测量

38、地面两点间的距离是推算点坐标的重要元素之一，因而距离测量也是最常见的测量工作。传统的距离测量方法是皮卷尺测量、钢带尺测量和视距测量。现代的测量方法有电磁波测距法和 GPS 卫星测量方法等。传统测距方法精度低，劳动强度大，但设备成本低。现代测距方法精度高，速度快，但仪器设备价格相对昂贵。2 1电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本概念电磁场理论早已揭示：光波（如激光、 红外光等） 和微波同属于电磁波，具有相同的传播速度，约为 3105 km / s 。电磁波测距包含光电（光波）测距和微波测距两部分；从目前实用上的广泛性而言，前者优于后者。所谓的电磁波测距，就是用电磁波作为载波进行长度测量的一门

39、技术。其基本思想为测定电磁波往返于待测距离上的时间间隔，进而计算出两点间的长度，如图2 1 所示。其出发计算公式为：D 1 C t2主机发射波反射波图 2-1电磁波测距原理其中： C 是电磁波在大气中的传播速度，可视为常数；t 是电磁波在待测距离上的往返传播时间。精确测定t 是电磁波测距的关键。由于电磁波的速度很高，以至于t 值很小，必须用高分辨率的设备去确定电磁波在传输过程中的时间间隔或时刻。人们为了达到这一目的，设法将构成时间间隔的两个端点与瞬间电磁波的某种物理参数相互比较，精密地计算出时间t 。迄今为止，已成功地将电磁波的不同物理参数引入测距，因此，出现了变频法、干涉法、脉冲法和相位法等

40、不同的测距手段。表 2 1 说明了不同测距方法的有关特性。表 21光电测距方法光 波测距信号测距原理测量结果变频法连续波调制光波测定调制波频率绝对长度相位法连续波调制光波测调制波相位差绝对长度干涉法连续波干涉光波测定干涉条纹相对长度脉冲法脉冲波光脉冲测定往返时间绝对长度早期的光电测距仪一般用普可尔盒或可尔盒调制可见光的振幅通过测频或测相的方法进行测距。自从 1968 年红外发光管应用于相位法测距以来，它的低耗、轻便、廉价和精度稳定等特点，-16-新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇使之成为光电测距应用最广泛的光源。在过去的岁月里，变频法已被淘汰，脉冲法因精度问题而处于次要地位，干涉法虽精度很高

41、，但由于设备昂贵和使用环境苛刻而多应用于计量部门，因此就形成了相位法测距一枝独秀的局面。但是，由于近十多年来科学技术的迅猛发展，计时方法的不断改进，脉冲法发生了很大的变化，精度由原来的米级提高到毫米级，因而脉冲法测距和相位法测距是目前最为常用的方法。脉冲法测距一般采用激光作为光源，可在无合作目标时进行测距，因而在某些场合（如快速动态时），具有相位法测距无可比拟的优势。本节将详细讨论两种测距方法的原理。二、 磁波测距的发展概况电磁波测距仪的发展至今已有50 多年的历史。瑞典大地测量局物理学家贝尔格斯川（ Bergstrand）采用光电技术从事光速值的测定试验，终于在1943 年较精确地测定了光速

42、值。进而与该国的 AGA 仪器公司合作，于 1948 年初步试验成功了一种利用白炽灯作光源的测距仪，命名为Geodimeter（大地测距仪或光电测距仪） ，迈开了光电测距的第一步。后来经过不断的改进，该公司就批量生产了型号为 NASM 2A 的光电测距仪，畅销世界各国，从而促进了各国对光电测距技术的探讨和仪器的研究。在以后的十余年时间内，研究成功了20 多种光电测距仪。它们的主要缺点是：仪器笨重，耗电量大，白天测程较短。例如NASM 2A 型仪器，本身（不包含附件）就重达94Kg ，耗电量为150W ，白天只能测6km 左右。50 年代真空电子管问世后， 南非人 Wadley 设计出了微波测距

43、仪。 1960 年美国人梅曼 （ Maiman ）研制成功了世界上第一台红宝石激光器。接着，第二年就产生了世界上第一台激光测距装置。十多年来，随着激光技术的迅速发展，激光测距仪的类型也就日益增多，用处更加广泛。 1963 年瑞士威特（ WILD ）厂开始采用申化镓 （ GaAs）红外发光二极管试制测距仪， 促进仪器的逐步小型化。 1968 年定型产品（ DI10 ）投入生产，以后又不断更新，现在有多种型号产品畅销世界各国。在经过 50 多年的发展后，目前电磁波测距仪已发展为一种常规的测量仪器，国内外研制、生产的厂家很多。产品的型号、工作方式、测程、精度等级也多种多样，对于电磁波测距仪的分类通常

44、有以下几种：1按载波分类白炽灯和汞灯单载波红外线激光光电测距仪(光波 )多载波电磁波测距仪微波测距仪（无线电波）2按测程分类短程： 15km ，用于一般的等级控制测量。3按测量精度分类电磁波测距仪的精度，常用如下公式表示：mDAB D其中A 仪器标称精度中的固定误差，以mm 为单位；B 仪器标称精度中的比例误差系数，以mm/km 为单位，也常表示为ppm（ part permillion ）；D测距边长度，以km 为单位。在 mDAB D 中，当 D 1km 时，可划分为三级：级： 5mm(每公里测距中误差) ；-17-新进销售技术人员培训教材太原中瑞华宇级： 5 10mm;级： 11 20m

45、m三、光脉冲法测距光脉冲法测距是以光脉冲作为测距信号，直接测定每个光脉冲在往返距离上传播时间，这种方法意大利的著名物理学家伽利略在十七世纪测定光速时，就采用过。上世纪七十年代初，脉冲测距应用于人卫大地测量，如G171 卫星激光测距仪，由红宝石作为发光源，脉冲宽度为20ns，精度为1.5m，而第三代激光测距仪采用YAG （铝石榴石）作为脉冲光源，脉冲宽度压缩到100ps，精度已经达到 5mm。测程由过去的2000 3000km 到现在的 20000km 。在地面测量中，早期的脉冲测距仪一般精度只有米级，但它不需要合作目标，测距时间极短，在快速测量，或高动态等军事部门应用较多。1980年西德芬纳仪器公司（Geo Fennel ）与汉堡电子光学工程所（ IBEO ）合作研究的脉冲技术，促使“FEN2000 ”脉冲测距仪系列的出现。 1982 年，瑞士的 Wild 仪器公司推出了DI3000 系列脉冲测距仪。近年来，市场还出现了小型的手持式脉冲测距仪（ DISTO ），测距精度已经达到了毫米级。时钟脉冲触脉冲发射反电子门发脉冲接收射器器计数显示AD