培训教材测量基础

1、第i局部测量技术根底第一章角度测量准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。§ 1 -1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。A P B是三个不同高度的地面标志点，PA PB两条空间直线在过 P点的水平面上投影后为pa和pb,它们之间的夹角/ apb称为P对A、B两点的水平角,常用字母 表示。要测定水平角

2、，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P上，使其圆心与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：bo a。a。、bo值称为P对于A B目标点的方向值。Way、b Ea图1 -1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场,向上量为正，也称为仰角；向下量为负，也称为俯角，通常用希腊字母a表示。如图1-2中，照准方向线0A与

3、O点的水平面0A的夹角a,即为0点对于A点的垂直角。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 盘， 0 180 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3,水平位置的读数0与3之差，即为0点对于A点的垂直角a。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（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

4、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OAt线方向的天顶距Z与垂直角a的关系为：a = 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。§ 1 2经纬仪测角的根本概念一、经纬仪的整置到达测站点之后，在开场角度观测之前，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

5、中心与测站点标石中心位于同一铅垂线上。准确对中的方法 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。假设偏差较大，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 器在脚架面上可以前后左右的移动，垂球尖静止时准确对准后标志中心，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，

6、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，停顿移动，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1mr左右，同时不受风力的影响，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

7、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1 3(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到达气泡居中，即到达了准确置平。(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

8、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，以利于准确照准目标。(最黑)。由于先进展目镜调焦，将望远镜对向天空或白墙，转动目镜调焦环，使十字丝最清晰各人眼睛明视距离不同，目镜调焦因人而异。然后进展物镜调焦，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，假设目标影像和十字丝影像没有相对移动，那么说明调焦正确；否那么，观察到目标影像和十字丝影像相对移动，那么说明调焦不正确，这种现象称为十字丝视差。它将影响观测的精度，特别是进展高等级观测时，尤其应当注意。图1 - 4的前两种情况，为调焦不正确；后一种

9、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1-忙卜2 二图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1 -5水平角观测的目标照准如图1-6, 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，标准要求观测时要变

10、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:a oniJ2型：G (k 1)10'(k 1)m600(kmJ6 型：G 18(k 1)60 (kmm1)式中，m为测回总数，k为测回序号k=1, 2,。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L；，这种在盘左位置

11、二次观测零方向的作法称为上半测回归零。标准规定只有方向数超过三个时才进展归零。于是得上半测回归零差上为：上 Li Li2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、R；，在盘右位置上二次观测零方向称为下半测回归零。那么下半测回归零差厶下为：下 Ri Ri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

12、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90 或270，由于指标差数仪器，指标的设计位置为铅垂线方向，当照准轴水平时，读数应为a（b）图1 7垂直角与指标差的关系的存在，实际读数将偏离 90，此偏离值即为指标差i，如图1-7a所示。（C）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右 270将上面两式联立求解垂直角和指标差:1i (L R

13、360 )21(R L 180 )2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，应参加指标差改正；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？标准？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。§ 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，西方兴旺国

14、家生产出了新一代角度测 量仪器一一电子经纬仪。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

15、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。它是以二进制为根 底，将光学度盘分为假设干个区域，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

16、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“ T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展技术处理。二进制码盘的码道数n与其容量M之间的关系为：nM 2图1 - 8中，码道数n=4,那么码盘的容量 M 24 16 ；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

17、技术 上来看，那么是困难的，主要有以下原因：(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，因此，码道数越多，势必要使度盘直径越大。如图1-9所示，假设光电承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。R度盘中心S 1/ 1'|1n1某一状态1甲光电接收管图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100m m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承受管安装不严格，

18、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限可能不会完全齐。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限很齐，但假设光电接收管 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

19、克制这一缺点，于1953年创造了葛莱码，它使整个码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限上或光电接收管 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

20、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,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1 10光栅与莫尔条纹光栅1光栅2图1- 11莫尔条纹的形成横向莫尔条纹，用两块具有一样节距W勺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

21、系列穿插的不透光图案，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B的关系可由图 1- 11得到：2sin 2一般来说B很小，故上式可简化为B W由于B很小，可见B要比W£得多，这就是莫尔条纹的放大作用。又因条纹的方向与B角的平分 线垂直，所以称这种条纹为横向莫尔条纹。图1 - 12纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹，将两块节距为 俯口 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，那么可形成纵向莫尔条纹，见图1- 12。条纹的间距B为当节距较小

22、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那么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0和间距tgcoscos (1)tg(1 )W(sin2 cos (1)2) 2莫尔条纹具有如下的特性: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 刑，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

23、，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。K旦1W一般B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，假设光栅的栅距有误差，那么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

24、视场内有 N条刻线，那么栅距的平均误差为：例如AGA70型电子速测仪的径向光栅每毫米约有100刻线，假设单个刻线的误差1 m，用10x 10m啲光电接收器件，那么 N= 100x 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

25、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 局部。其原理如图1- 13所示。1光源_2透镜3主光栅h 'Sa 4 J '4指示光栅5接收物镜Z 二|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。光栅读数的方式有透射式和反射式两类。在AGA70和 E2电子速测仪上，用光学的方法把光

26、栅度盘的影像重叠到对径180的光栅上，以替代指示光栅，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。图1- 14 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：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，必须进展计数方向的判别。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

27、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，莫尔条纹从左向右移动，那么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

28、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展加法运算。反之，进展减法运算。最后获得正确的角度。B/4指示光栅度盘局部图1 -15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 /28 1.4，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。角度电子测微技术是运用电子技术对交变的电信号进展内插，从而提高计数脉冲的频率，到 达细分的效果。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

29、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一一四倍频直接测微法。该法有英国费南梯Ferra nti丨公司首创，是目前各种电子测微技术的根底。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取的信号的相位差为 90。每移动一个光栅，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

30、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展编码,中间不必提取测微信息，故有称为直接测微法。信号输入四相取样图1- 16两路信号地四个过零点计数电路数字数字显示器输出可逆计数器图1- 17四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。信号经过四相取样电路后得到四个相位差为90电信号 u1、u2、u3、u4:其中Ao为直流分量。为了消除这一直流分量,般利用差分放大器来实现，然后得到四个相U1AoAsi nU2A0A cosU3AoAsi nU4AoA cos差为90的信号为:U13U1U32AsinU 24U2U42Aco

31、sU31U3U12AsinU 42U4U22Acos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 18。编码电路由与门和或门构成，其加法脉冲和减法脉冲输出逻辑表达式为：Q t1 p2t2 p3 t3 p4 t4 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。U3U40电位lr:t3U2差放一监零微分rLxtl差放一送哥眉分肚t2差放一监零P3t4P加Q +脉主Q脉Q减Q脉冲1电位图1 18测微计数和方向判别电路原

32、理框图三、光栅动态测角原理sL r光栅动态测角方式是建立在计时扫描绝对动态测角根底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。UULTL-TLTLTLn_TL_TLrLTULTL-TL1 0-1HQJ-LOTJ-L_i图1 19T2000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展计量，然后取中数作为观测结果，彻底消除了度盘刻划误差， 也大

33、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:1265. 62560 60 36001024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其中：i =1、2N ;T°ti用脉冲填充的方法准确测定，处理器计算出和Lr 一次，Ls和Lr发出的信号依次为Ra、Sa、R b、Sb、R c

34、、Sc、Rd、Sd。A 刻划由 Ls 转到Lr所对应的时间为Ta，那么待测角中所含的°的个数nA可由下式给出:同理，其它三个编码刻划也可测出三个比较，假设有差异，那么自动重复测量一次,nATat°n值 nB、以保证nc和nD，微处理机将一周测出的四个n值加以n值的正确性。光栅度盘扫描完毕后，由微处理机将和n °进展衔接，得到角度值。那么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Lr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

35、，度盘在马达的带动下，以一定的速度旋转，使光电探测器断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°为一个刻划周期的圆周角，度盘的刻划总数为N，那么对于任意角度，我们总可以将其表示为：n °其中：n为正整数；°° ；由上式可知，只要测出n和，那么角度 即可确定。在图中，由Ls和Lr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-T°，T°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:°i后，再按下式计算整周多周次测量的平均值，作为最后结果。

36、LsN值的测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第二章距离测量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，但设备本钱低。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电磁波测距的根本原理一、电磁波测距的根本概念电磁场理论早已提醒： 光波如激光、红外光等和微波同属于电磁波， 具有一样的传播速度, 约为3105km/s。电磁波测距包含光电光波测距和微波测距两局部

37、；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展长度测量的一门技术。其根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：1D C t2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。准确测定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。人们为了到达这一目的，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，精细地计算出时间t。迄今为止，已成功地将

38、电磁波的不同物理参数引入测距，因此，出现了变频法、干预法、脉冲法和相位法等不同的测距 手段。表2-1说明了不同测距方法的有关特性。表2- 1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1调制光波测调制波相位差绝对长度干预法连续波干预光波测定干预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展测 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,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

39、 于次要地位，干预法虽精度很高，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开展，计时方法的不断改 良，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展测距，因而在某 些场合如快速动态时，具有相位法测距无可比较的优势。本节将详细讨论两种测距方法的原理。二、磁波测距的开展概况电磁波测距仪的开展至今已有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194

40、3年较准确地测定了光速值。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。后来经过不断的改良，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设计出了微波测距仪。

41、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开展，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厂开场采用申化镓 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丨投入生产，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多年的开展后，目前电磁波测距仪已开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 常有以下几种：1 按载波分类电磁波测距仪2 按

42、测程分类光电测距仪（光波）微波测距仪无线电波单载波多载波白炽灯和汞灯 红外线 激光短程： 3 km，用于普通工程测量和城市测量； 中程：35km，常用于国家三角网和特级导线;长程：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:mD ABD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ppmpart permillion；D测距边长度，以km为单位。在mD ABD中，当D= 1km时，可划分为三级:I级： 5mm（每公里测距中误差）;n级：5 10mm;川级：11 20mm三、光脉冲法测距光

43、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，精度已经到达 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

44、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,测距精度已经到达了毫米级。LLLLLLLI图22脉冲法测距原理图图2 2为脉冲法测距原理图。在脉冲测距仪中，其发射是以瞬间的电脉冲流过发光二极管， 使其转换出窄小的光脉冲。每个脉冲发射时，大局部的能量发射至反射器，同时还有很少的一局部 脉冲信号传输到触发器，经过触发器去翻开电子门，电子门一翻开，计时用的时标脉冲就通过电子 门进入计数器。当发送到反射器的脉冲被返回时，经接收单元

45、接收后，也送往触发器，通过电子门 去关闭电子门，时标脉冲就不能通过电子门，那么计数器上记录下的时标脉冲个数m,将对应于测距脉冲信号在被测距离 D上往返传播所需的时间t2D，时间越长，通过的脉冲个数就越多，反之就越少，根据时标脉冲的个数就可计算出时间t2D，从而获得距离。如某台脉冲式测距仪，其时标脉冲的频率为fp=1MHz，设电磁波的速度为 v 3 108m /s,用该仪器测量某一段距离，计数器显示的时标脉冲的个数为 3000个，那么该段距离为 D=100米。脉冲法测距需要屡次重复进展。测距脉冲的重复频率要考虑脉冲在往返距离上的传播时间，当最大测程为30km时，相应的往返时间为，那么脉冲信号的频

46、率不能超过1/0.2 10 35KHz般为了保险起见，采用 2-3KHz。在脉冲测距仪中，对于脉冲往返时间间隔的测定精度要求很高。假设要求测距精度为ey5mm，那么测时精度应到达ed2 0.005 门 cccet_80.033nsC 3 108300MHz 高级的精度。为了满足如此高的测时精度，计数脉冲的周期必须足够小，FEN2000测距仪中采用频振荡器产生计数脉冲，并采用屡次测量取平均值的方法，使得最终测量结果到达mm除采用屡次测量方法外，在脉冲测距仪中也可采用模拟-数字式测时方法，使单次测量精度到达mm级。在这种方法中，以参考振荡器作为计时单位，缺乏一个计数单位的小数局部，可以用mm时间扩

47、展的方法将微小的时间间隔，转换为电压值进展测量，其单次测量时间的精度可以到达 级。以 Wild厂的DI3000为例，见图2 3:发射脉冲接收脉冲计时频标i-Lrdtl-LrLrLrLri. j-ltltltTACn.T图2 3 Wild DI3000计时原理nT T时标脉冲的频率为15MHz，整周期的计数为脉冲的前沿或后沿数目得到的距离粗值为为时标的周期，但其分辨率仅为 10m，缺乏一个整周期的局部Ta和Tb那么用一种高分辨率的时间电压转换器件 Time Amplitude Comenter , TAC丨来测量。TAC的核心是一只高精度的电容器， 在Ta和Tb的时间内，用恒流充电，电容器中充电

48、量的多少，即电容器的电压的大小与Ta和Tb的时间间隔成正比，其关系如图2 4所示，测量电容的电压，即可用下式计算出激光脉冲准确的传播时间。tm n T Ta Tb图2 4 TAC原理经重复测量后，精度可进一步提高。 另外，在仪器内部设立了 TAC校验电路，实时地准确测定 时间与电压的比例关系，以减小外界环境、元件参数的变化而产生的影响，同时还设有温度传感器 件，对参考晶震频率变化进展改正。在图2 4中，由微机控制，发出 TAC低电平控制信号，在参考信号一个周期的时间内对电容充电，得到电压 Ug,随后发出TAC高电平控制信号，对电容充电两个周期，得到电压Og,由下式:2T TOg UgTa和 T

49、b可求得时间/电压的直线斜率，并以此作为时间与电压的转换系数，来保证所测时间 的准确性。四、相位法测距1.相位法测距的根本原理相位法测距，也称为间接法测距，它不是直接测定电磁波的往返传播时间，而是测定由仪器发出的连续电磁波信号在被测距离上往返传播而产生的相位变化即相位差，根据相位差求得时间,从而求得距离D。其根本原理框图如图 25:测信号发射反相信号接收射器A D B图25相位法测距原理设测距仪发射的电磁波信号为:u UmSin( t o)电磁波在被测距离上的往返传播时间为t2D，因此，测距仪接收的电磁波信号为:u Um Si n( t 0t2D)在这段时间内产生的相位差为t2D。测距仪把未发

50、出的信号参考信号与接收的信号测距信号送入测相器，测相器可以测出两路信号的相位差，那么：t2Dt2D2 f那么:t2D代入式D Ct 2D / 2那么有:这就是相位法测距的根本公式。对上式变换一下，任何相位差总可以分为假设干个2N 与一个缺乏2的之和，即:2N(NN)2代入上面距离公式得:DC(NN)2 /4 fD-(N2N)其中N为正整数，N为小于1的小数，C/f为测距信号的波长。从上式可以看出，相位法测距就好似用一把尺子在丈量距离，尺子的长度为/2，N为测出的整尺段数，N为缺乏一尺的尾数。相位法测距仪的功能就是测定N和 N值。2.相位法测距仪的根本构成及测相原理(1)根本构成相位式测距仪一般

51、有四个局部组成，即发射局部、反射局部、接收局部、测相局部，各局部又 有不同的部件组成。其根本的框图如图26所示：参 考 信 号图2-6相位法测距仪的根本构成发射局部：由晶体振荡器、红外发光二极管、发射电路组成，晶体振荡器的作用是产生低频测 距信号，现代测距仪中的晶体振荡器多采用温补电路和频率综合技术，使产生的测距信号有较高的 频率稳定性，这是保证测距精度的重要条件。发光二极管发出的红外光的光强，由测距信号调制随 之变化，并通过聚束光路使之称为平行光发射出去。反射局部：此局部较为简单，一般采用直角反射棱镜，如图2-7所示，它是由正方体截取一个角得到的一个四面体，再将四面体的四个棱角磨光而成。这种

52、反射镜具有入射光与反射光总是平 行的特性，这就使得在棱镜粗略对准测距仪的情况下，测距仪发射的红外光仍能返回到测距仪。图2-7反射镜接收局部：由接收光路和光电二极管组成，其关键局部为光电二极管。经由接收光路的红外光 聚焦到光电二极管上，光电二极管实质是一个光敏器件，将光信号转换为电信号，此过程也称为测 距信号的解调。测相局部：由本机振荡器、基准混频器、测距混频器和测相器组成。由于在低频段进展测相的精度要优于在高频段，而测距信号的频率一般较高常在106 108Hz，因此在将测距信号送往测相器之前，需要降低测距信号的频率，即混频。混频是将测距信号和本机振荡信号同时送入测距混频 器，由混频器输出一个低

53、频信号如1KHz此低频信号的频率为两输入信号的频率之差；同样，参考信号也与本机振荡信号在基准混频器中混频，产生另一个同频的低频信号。将两个低频信号输 入到测相器，所测定的相位差，由电学理论可以证明，与两高频信号测距信号和参考信号的相 位差一样。(2)测相原理测相方法主要有手动平衡式和自动数字式。在现代测距仪中，前者已被淘汰，而多采用后者。 自动数字式测相的原理框图如图2-8所示：计数器CPTg时钟脉冲闸门脉冲图2-8数字测相原理当把参考信号er和测距信号em送入测相器前，先把两路信号通过通道整形成方波信号，再把两路方波信号送入触发器 CHP中，CHP触发器有两个输入端 S和R,两个输出端 Q和Q。当R输入低电平时，无论S端输入为高或低电平， Q端均输出低电平，当 R端输入高电平时，假设 S端输入高电平那么Q端输出低电平，假设 S端输入低电平那么 Q端输出高电平，其逻辑波形见图2 9。er厂、em” 、 /、 /、er/ ”、- -"'r1【IIIem11111l_QrnrnrLcpllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllYmumul 1 _图2 9数字测相波形图分析CHP的Q端的输出波形，可以看出，其高电平局部正好等于参考信号与测距信号之间的相把Q端输出的信号送入电子门,位差，只要测出