培訓(xùn)教材-測(cè)量基礎(chǔ)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一部分 測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第一章 角度測(cè)量 精確測(cè)定地面點(diǎn)的位置和高程是測(cè)繪工作的主要任務(wù)之一。通常采用的方法是測(cè)定一定數(shù)量的角度和長(zhǎng)度，按一定的計(jì)算方法得到。測(cè)量角度的儀器主要是經(jīng)緯儀，主要包括光學(xué)經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀兩大類別，本章著重討論角度測(cè)量的概念、電子經(jīng)緯儀的測(cè)角原理。§11 角度的概念一、水平角水平角是指兩條空間相交直線在某一水平面上投影之間的夾角，通常用于確定地面點(diǎn)的平面位置。如圖11所示。A、P、B是三個(gè)不同高度的地面標(biāo)志點(diǎn)，PA、PB兩條空間直線在過(guò)P 點(diǎn)的水平面上投影后為pa和pb，它們之間的夾角apb稱為P對(duì)A、B兩點(diǎn)的水平角,常用字母表示。

2、要測(cè)定水平角，可以設(shè)想將一個(gè)有順時(shí)針角度分劃的圓盤（度盤）置于測(cè)站點(diǎn)P上，使其圓心與P點(diǎn)重合或者位于同一鉛垂線上，并安置水平。在度盤的中心上方，設(shè)置一個(gè)既可以水平轉(zhuǎn)動(dòng)、又可以鉛垂俯仰的望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)裝置，以及與其水平轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)的位于度盤上的讀數(shù)指標(biāo)線，這樣望遠(yuǎn)鏡分別照準(zhǔn)A、B點(diǎn)，即可得到度盤上指標(biāo)線處的讀數(shù),顯然水平角為：值稱為P對(duì)于A、B目標(biāo)點(diǎn)的方向值。圖11水平角的概念 二、垂直角垂直角是指空間直線與水平面的夾角，通常用于確定地面點(diǎn)的高程。測(cè)量中規(guī)定從水平面開(kāi)始，向上量為正，也稱為仰角；向下量為負(fù)，也稱為俯角，通常用希臘字母表示。如圖12中，照準(zhǔn)方向線OA與O點(diǎn)的水平面的夾角，即為O點(diǎn)對(duì)于A點(diǎn)的

3、垂直角。圖12 垂直角的概念為了測(cè)定垂直角，原理上可以設(shè)想在前述望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)裝置賴以俯仰的水平軸的一端安置一個(gè)度盤，直徑方向與鉛垂線同向，盤面鉛垂，圓心與水平軸重合，稱為垂直度盤；再于垂直度盤上設(shè)置一個(gè)與望遠(yuǎn)鏡方向同步的讀數(shù)指標(biāo)線。這樣，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)目標(biāo)A時(shí)，依指標(biāo)線在垂直度盤上讀取讀數(shù)，水平位置的讀數(shù)與之差，即為O點(diǎn)對(duì)于A點(diǎn)的垂直角。實(shí)際儀器中是使讀數(shù)指標(biāo)固定于一不變位置，通常在鉛垂線方向(或水平方向)，而度盤與望遠(yuǎn)鏡固連在一起，且直徑方向與望遠(yuǎn)鏡軸線平行，隨望遠(yuǎn)鏡的俯仰而旋轉(zhuǎn)，照準(zhǔn)目標(biāo)后讀取鉛垂方向讀數(shù)，按計(jì)算同樣也可得到垂直角。在重力的作用下，地面上每一點(diǎn)均有一條指向下的鉛垂線方向(即自由

4、落體方向)，我們定義鉛垂線的反方向(指向天頂)稱為該點(diǎn)的天頂方向，從天頂方向量到某一空間直線方向的角度Z(在鉛垂面內(nèi))稱為天頂距，用英文字母Z表示，顯然OA直線方向的天頂距Z與垂直角的關(guān)系為：90°Z實(shí)際應(yīng)用時(shí)可使用垂直角也可使用天頂距。另外，天頂距可以大于，故無(wú)正負(fù)之分。§12 經(jīng)緯儀測(cè)角的基本概念 一、經(jīng)緯儀的整置到達(dá)測(cè)站點(diǎn)之后，在開(kāi)始角度觀測(cè)之前，測(cè)量員需要整置經(jīng)緯儀。整置經(jīng)緯儀包括對(duì)中、整平、調(diào)焦三個(gè)步驟。1對(duì)中對(duì)中的目的是使經(jīng)緯儀的水平度盤中心與測(cè)站點(diǎn)標(biāo)石中心位于同一鉛垂線上。精確對(duì)中的方法有垂球法和光學(xué)對(duì)點(diǎn)器法。下面分別介紹其操作方法：（1） 垂球法先把腳架腿伸

5、開(kāi)，長(zhǎng)短適中，選好腳架尖入地的位置，憑目估，盡量使腳架面中心位于標(biāo)石中心正上方，并保持腳架面概略水平。將垂球掛在腳架中心螺旋的小勾上，穩(wěn)定之后，檢查垂球尖與標(biāo)石中心的偏離程度。若偏差較大，應(yīng)適當(dāng)移動(dòng)腳架，并注意保持移動(dòng)之后腳架面仍概略水平；當(dāng)偏差不大時(shí)（約3厘米以內(nèi)），取出儀器，扭上中心固定螺旋，剩下半圈絲，不要旋緊，緩慢使儀器在腳架面上可以前后左右的移動(dòng)，垂球尖靜止時(shí)精確對(duì)準(zhǔn)后標(biāo)志中心，擰緊中心固定螺旋，對(duì)中完成。（2） 光學(xué)對(duì)點(diǎn)器法將腳架腿伸開(kāi)，長(zhǎng)短適中，保持腳架面概略水平，平移腳架同時(shí)從光學(xué)對(duì)點(diǎn)器中觀察地面情況，當(dāng)?shù)孛鏄?biāo)志點(diǎn)出現(xiàn)在視場(chǎng)中央附近時(shí)，停止移動(dòng)，緩慢踩實(shí)腳架。旋轉(zhuǎn)機(jī)座升降螺絲并

6、觀察地面標(biāo)志點(diǎn)的移動(dòng)情況，使對(duì)點(diǎn)器的十字絲中心對(duì)準(zhǔn)地面標(biāo)志點(diǎn)，此時(shí)園水準(zhǔn)器不居中。松開(kāi)腳架腿固定螺絲，適當(dāng)調(diào)整三個(gè)腳架腿的長(zhǎng)度，使園水準(zhǔn)器居中，此時(shí)地面標(biāo)志點(diǎn)略微偏離十字絲中心。重復(fù)上述過(guò)程23次，直至地面點(diǎn)落于十字絲中心同時(shí)園水準(zhǔn)器也處于居中狀態(tài)，對(duì)中完成。利用光學(xué)對(duì)點(diǎn)器對(duì)中較垂球法精度高，一般誤差在1mm左右，同時(shí)不受風(fēng)力的影響，操作過(guò)程簡(jiǎn)單快速，因而應(yīng)用普遍。2整平 整平的目的是讓經(jīng)緯儀豎軸位于鉛垂線上。通常是先讓圓氣泡居中，使儀器概略置平。由于重力的作用，水準(zhǔn)器中的氣泡總是向高處移動(dòng)，腳螺旋順時(shí)針轉(zhuǎn)(從上向下看)時(shí)總是抬高照準(zhǔn)部，反時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)總是降低照準(zhǔn)部，所以用左手旋轉(zhuǎn)腳螺旋時(shí)，氣泡

7、總沿食指移動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。用管水準(zhǔn)器置平時(shí)，通常是先讓管氣泡平行于某兩個(gè)腳螺旋的連線，如圖13(a)。旋轉(zhuǎn)這兩個(gè)腳螺旋，使氣泡居中，然后轉(zhuǎn)動(dòng)照準(zhǔn)部，使管水準(zhǔn)器垂直于該兩個(gè)腳螺旋連線，如圖13(b)。此時(shí)， 只轉(zhuǎn)動(dòng)第三個(gè)腳螺旋，使氣泡居中，如此反復(fù)23次，儀器在互相垂直的兩個(gè)方向上均達(dá)到氣泡居中，即達(dá)到了精確置平。 (a) (b) 圖13經(jīng)緯儀整平（3）調(diào)焦調(diào)焦包括目鏡調(diào)焦和物鏡調(diào)焦，物鏡調(diào)焦的目的是使照準(zhǔn)目標(biāo)經(jīng)物鏡所成的實(shí)像落在十字絲板上，目鏡調(diào)焦的目的是使十字絲連同目標(biāo)的像（即觀測(cè)目標(biāo)）一起位于人眼的明視距離處，使目標(biāo)的像和十字絲在視場(chǎng)內(nèi)都很清晰，以利于精確照準(zhǔn)目標(biāo)。先進(jìn)行目鏡調(diào)焦，將望遠(yuǎn)鏡對(duì)向

8、天空或白墻，轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡調(diào)焦環(huán)，使十字絲最清晰(最黑)。由于各人眼睛明視距離不同，目鏡調(diào)焦因人而異。然后進(jìn)行物鏡調(diào)焦，轉(zhuǎn)動(dòng)物鏡調(diào)焦螺旋，使當(dāng)前觀測(cè)目標(biāo)成像最清晰。調(diào)焦是否正確，可將眼睛在目鏡后上下左右移動(dòng)，若目標(biāo)影像和十字絲影像沒(méi)有相對(duì)移動(dòng)，則說(shuō)明調(diào)焦正確；否則，觀察到目標(biāo)影像和十字絲影像相對(duì)移動(dòng)，則說(shuō)明調(diào)焦不正確，這種現(xiàn)象稱為十字絲視差。它將影響觀測(cè)的精度，特別是進(jìn)行高等級(jí)觀測(cè)時(shí)，尤其應(yīng)當(dāng)注意。圖14的前兩種情況，為調(diào)焦不正確；后一種情況，為調(diào)焦正確。圖14 十字絲視差二、水平角方向觀測(cè)法 在地形測(cè)量中，觀測(cè)水平角通常采用方向觀測(cè)法和復(fù)測(cè)法，且以前者居多，亦稱全圓觀測(cè)法；只有當(dāng)精度要求較高，而使

9、用的儀器等級(jí)較低時(shí)，方采用后者。水平角觀測(cè)時(shí)必須用十字絲的縱絲照準(zhǔn)目標(biāo)，如圖15所示，根據(jù)目標(biāo)的大小和距離的遠(yuǎn)近，切準(zhǔn)目標(biāo)的方式可以選擇單絲切準(zhǔn)或雙絲夾準(zhǔn)。圖15水平角觀測(cè)的目標(biāo)照準(zhǔn)如圖16，O點(diǎn)為測(cè)站點(diǎn)，欲觀測(cè)方向A、B、C、D四個(gè)方向的水平角，方向觀測(cè)法步驟如下：1安置度盤多個(gè)測(cè)回觀測(cè)時(shí)，為了減弱度盤刻劃誤差影響，使讀數(shù)均勻分布在整個(gè)度盤上，規(guī)范要求觀測(cè)時(shí)要變換度盤的起始位置。通常要求各測(cè)回起始度盤位置讀數(shù)G，對(duì)J2和J6型經(jīng)緯儀，G分別為：J2型： J6型： 式中，m為測(cè)回總數(shù)，k為測(cè)回序號(hào)（k=1，2，.）。圖16 方向觀測(cè)法 在每測(cè)回觀測(cè)前，都應(yīng)該重新安置度盤。2觀測(cè)（1）上半測(cè)回盤

10、左（垂直度盤位于望遠(yuǎn)鏡的左側(cè)）先照準(zhǔn)第一方向A（因計(jì)算時(shí)將第一方向的方向值強(qiáng)制歸零，故也稱該方向?yàn)榱惴较颍?，讀取水平度盤讀數(shù)為，然后依順時(shí)針?lè)较蚍謩e照準(zhǔn)B、C、D方向，得盤左讀數(shù)為，測(cè)完最后一個(gè)方向，繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)到零方向，再次盤左照準(zhǔn) ，得讀數(shù)，這種在盤左位置二次觀測(cè)零方向的作法稱為上半測(cè)回歸零。規(guī)范規(guī)定只有方向數(shù)超過(guò)三個(gè)時(shí)才進(jìn)行歸零。于是得上半測(cè)回歸零差上為： （2）下半測(cè)回上半測(cè)回歸零之后，縱轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，使垂直度盤位于望遠(yuǎn)鏡右側(cè)（稱盤右），先照準(zhǔn)零方向，得盤右讀數(shù)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，依次照準(zhǔn)D、C、B、A，得盤右水平度盤讀數(shù)、，在盤右位置上二次觀測(cè)零方向稱為下半測(cè)回歸零。則下半測(cè)回歸零差下為： 上

11、下兩個(gè)半測(cè)回稱為一測(cè)回。至此，一測(cè)回觀測(cè)完成。三、指標(biāo)差及垂直角計(jì)算公式的推證我們知道，垂直度盤讀數(shù)是通過(guò)指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而指標(biāo)的安裝位置及度盤的刻劃方式不同，將使得垂直角的計(jì)算方法不同。同時(shí)指標(biāo)安裝的實(shí)際位置與其設(shè)計(jì)位置通常難以完全一致，也必將對(duì)垂直度盤讀數(shù)產(chǎn)生影響，這種影響我們稱之為垂直度盤指標(biāo)差，以表示。對(duì)于020、030、T2等多數(shù)儀器，指標(biāo)的設(shè)計(jì)位置為鉛垂線方向，當(dāng)照準(zhǔn)軸水平時(shí)，讀數(shù)應(yīng)為（或），由于指標(biāo)差的存在 ，實(shí)際讀數(shù)將偏離，此偏離值即為指標(biāo)差，如圖17（a）所示。 （a） (b) (c)圖17 垂直角與指標(biāo)差的關(guān)系為了推證指標(biāo)差和垂直角的計(jì)算公式，首先繪制出垂直角觀測(cè)時(shí)照準(zhǔn)軸、度

12、盤、指標(biāo)的關(guān)系示意圖，并標(biāo)出指標(biāo)差、度盤讀數(shù)及垂直角。圖17（b）、17（c）分別為照準(zhǔn)一高目標(biāo)時(shí)，盤左和盤右觀測(cè)的示意圖。由圖可知： 將上面兩式聯(lián)立求解垂直角和指標(biāo)差： 分析上面兩式可知，對(duì)于垂直角半測(cè)回來(lái)說(shuō)，在盤左、盤右讀數(shù)中含有指標(biāo)差的影響，因此利用半測(cè)回讀數(shù)計(jì)算垂直角時(shí)，應(yīng)加入指標(biāo)差改正；而對(duì)于一測(cè)回，盤左、盤右讀數(shù)聯(lián)合計(jì)算垂直角，由于兩個(gè)讀數(shù)中均含有指標(biāo)差的影響，且相互抵消，因而指標(biāo)差對(duì)于一個(gè)測(cè)回垂直角觀測(cè)沒(méi)有影響；同時(shí)，雖然指標(biāo)差受外界溫度的變化、震動(dòng)等因素會(huì)發(fā)生微小改變，但在短時(shí)間內(nèi)指標(biāo)差接近一個(gè)常數(shù)。故規(guī)范規(guī)定一個(gè)測(cè)站上同組、同方向、各測(cè)回的指標(biāo)差之差，不應(yīng)超過(guò)一定的限制，以此

13、作為衡量垂直角觀測(cè)質(zhì)量的依據(jù)。§13電子經(jīng)緯儀測(cè)角原理八十年代之后，現(xiàn)代電子技術(shù)滲透到測(cè)繪儀器制造行業(yè)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)出了新一代角度測(cè)量?jī)x器電子經(jīng)緯儀。與光學(xué)經(jīng)緯儀一樣，電子經(jīng)緯儀也有照準(zhǔn)部和望遠(yuǎn)鏡、三軸系統(tǒng)等，不同的是電子經(jīng)緯儀的度盤和讀數(shù)系統(tǒng)采用了光電技術(shù)，角度測(cè)量數(shù)字結(jié)果可以直接顯示在屏幕上，也可通過(guò)輸出端口向電子手簿或計(jì)算機(jī)自動(dòng)傳送測(cè)量結(jié)果，測(cè)量員只需用望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)目標(biāo)，數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，大大降低了讀錯(cuò)、記錯(cuò)的幾率，同時(shí)也提高了測(cè)量作業(yè)的自動(dòng)化程度。 電子經(jīng)緯儀和全站儀的型號(hào)很多，但其測(cè)角原理和方法有許多相似之處，其類型主要有以下三種：編碼度盤測(cè)角、光柵增量式測(cè)角和光柵動(dòng)態(tài)測(cè)角。

14、一、編碼度盤測(cè)角原理圖18四碼道編碼度盤在光學(xué)圓盤上設(shè)置有一定寬度的同心圓縫隙，每一圈成為一個(gè)碼道，并代表二進(jìn)制的一個(gè)數(shù)位，這樣便可以得到一個(gè)包含多個(gè)碼道的按二進(jìn)制規(guī)律組合起來(lái)的圖案，這種帶有編碼圖案的光學(xué)圓盤成為光學(xué)編碼度盤，圖18為僅有四個(gè)碼道的編碼度盤示意圖。利用編碼度盤測(cè)角是電子經(jīng)緯儀中采用最早、也較為普遍的電子測(cè)角方法。它是以二進(jìn)制為基礎(chǔ)，將光學(xué)度盤分為若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域用一二進(jìn)制碼來(lái)表示。這樣，當(dāng)照準(zhǔn)方向確定后，方向的投影落在度盤的某一區(qū)域上，即該方向?qū)?yīng)一二進(jìn)制編碼，通過(guò)發(fā)光二極管和接收二極管，將度盤上的二進(jìn)制編碼信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到一可讀角值。編碼度盤類似普

15、通光學(xué)度盤，每個(gè)方向都單值對(duì)應(yīng)一個(gè)編碼輸出，不會(huì)因掉電或其它原因而改變這種對(duì)應(yīng)關(guān)系。另外，利用編碼度盤不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，就可得到絕對(duì)方向值。因此，這種測(cè)角方法也稱為絕對(duì)式測(cè)角法。編碼度盤的優(yōu)點(diǎn)是：能實(shí)時(shí)反映角度的絕對(duì)值，可靠性高，誤差不積累，調(diào)試簡(jiǎn)單，有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。由于二進(jìn)制只有“1”和“0”兩種狀態(tài)，與電器元件的導(dǎo)通和截止兩種物理狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，用邏輯代數(shù)或布爾代數(shù)很容易對(duì)其進(jìn)行技術(shù)處理。二進(jìn)制碼盤的碼道數(shù)n與其容量M之間的關(guān)系為：圖18中，碼道數(shù)n=4，則碼盤的容量;這意味著將一圓周等分16等分（或16個(gè)扇區(qū)），因此，碼盤的分辨率與碼道數(shù)之間的關(guān)系如下：從理論上講，為了滿足較高的角度分辨率

16、，可以增加碼道數(shù)和相應(yīng)的扇區(qū)數(shù)。但是從實(shí)際技術(shù)上來(lái)看，則是困難的，主要有下列原因：（1） 將碼盤信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為方向值的接收器件不可能無(wú)限小，因此，碼道數(shù)越多，勢(shì)必要使度盤直徑越大。如圖（19）所示，若光電接受二極管的尺寸只能是，即在光電接收管尺寸一定的情況下，碼道數(shù)越多，要求的度盤半徑R越大。圖 19 碼道數(shù)與度盤直徑的關(guān)系（2） 實(shí)際度盤的半徑不可能很大，作為一種實(shí)用的儀器，其體積是有一定的限制的，一般度盤的直徑在100mm左右。 由此可見(jiàn)，要提高編碼度盤的測(cè)角分辨率，必須采用角度測(cè)微技術(shù)。 對(duì)于純二進(jìn)制碼盤來(lái)說(shuō)，由于度盤刻制工藝上存在公差或光電接受管安裝不嚴(yán)格，有時(shí)會(huì)使測(cè)量出現(xiàn)大的粗差。

17、如四個(gè)碼道的度盤，有16個(gè)扇區(qū)，第0狀態(tài)可表示為0000，而第15狀態(tài)可表示為1111，它們是相鄰的。由于刻制工藝問(wèn)題，透光與不透光的交界線可能不會(huì)完全齊。當(dāng)光電接收管位于狀態(tài)0和狀態(tài)15的交界處時(shí)，可能會(huì)把0000讀成1000，而該值對(duì)應(yīng)的狀態(tài)是8，使本來(lái)相鄰的兩個(gè)狀態(tài)讀數(shù)結(jié)果相差 ，這是不允許的。有時(shí)即使相鄰狀態(tài)的分界線很齊，但若光電接收管安裝稍有偏差不可能嚴(yán)格位于一條直線上時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。正是基于這一點(diǎn)，在電子經(jīng)緯儀的編碼度盤上引入了葛萊碼。 用純二進(jìn)制碼盤測(cè)角可能出現(xiàn)大的粗差的主要原因是相鄰兩個(gè)區(qū)域的碼道狀態(tài)同時(shí)有幾個(gè)發(fā)生變化。為了克服這一缺點(diǎn)，H.T.Gray于1953年發(fā)明

18、了葛萊碼，它使整個(gè)碼盤的相鄰碼道只有一個(gè)碼道發(fā)生變化，所以也稱為循環(huán)碼。這樣，即使當(dāng)讀數(shù)位置處于兩個(gè)狀態(tài)的分界線上或光電接收管安裝的不嚴(yán)格時(shí)，所得的讀數(shù)只能是兩個(gè)相鄰狀態(tài)中的一個(gè)，使得可能產(chǎn)生的誤差不超過(guò)十進(jìn)制的一個(gè)單位。二、光柵增量式測(cè)角原理1 光柵測(cè)角原理和裝置遠(yuǎn)在幾個(gè)世紀(jì)以前，法國(guó)絲綢工人發(fā)現(xiàn)，用兩塊薄絲布疊在一起，能產(chǎn)生絢麗的水波樣的花紋，當(dāng)薄綢相對(duì)移動(dòng)時(shí)，花紋也隨之變化。當(dāng)時(shí)把這種有趣的花紋叫做“莫爾”（MOIRE）即“水波紋”。這便是初期的光柵。一百多年以前人們已將光柵的衍射現(xiàn)象用于光譜分析和光波波長(zhǎng)測(cè)量，上世紀(jì)五十年代，光柵已用于計(jì)量和測(cè)量領(lǐng)域。光柵與莫爾條紋所謂光柵是由許多等間

19、隔的透光刻劃和不透光刻劃的縫隙組成。為了滿足不同的需要，又可分為計(jì)量光柵和物理光柵兩大類，物理光柵的結(jié)距較小，一般在0.0005-0.002mm之間，它的主要工作原理是基于光柵的衍射現(xiàn)象。而計(jì)量光柵的結(jié)距相對(duì)較大，一般在0.01-0.05mm,因而刻劃較粗。根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同，又可分為測(cè)量直線位移的直線光柵和測(cè)量角度位移（光柵度盤）的圓光柵，在角度測(cè)量中主要使用圓光柵。光柵產(chǎn)生的莫爾條紋，相對(duì)于光柵的方向可以是橫向、縱向和斜向。為了便于理解光柵測(cè)量原理，下面簡(jiǎn)要介紹莫爾條紋的形成和特性。圖110 光柵與莫爾條紋圖111 莫爾條紋的形成橫向莫爾條紋，用兩塊具有相同節(jié)距W的直線光柵重疊在一起，并使

20、它們形成一個(gè)很小的夾角，就會(huì)在兩塊光柵的重合部位形成了一系列交叉的不透光圖案，和一系列的菱形的透光圖案。在整個(gè)光柵面上，均勻的分布著明暗條紋，這便是莫爾條紋,見(jiàn)圖（110）.莫爾條紋的間距B與光柵的節(jié)距W及兩光柵的交角的關(guān)系可由圖111得到：一般來(lái)說(shuō)很小，故上式可簡(jiǎn)化為 由于很小，可見(jiàn)B要比W寬得多，這就是莫爾條紋的放大作用。又因條紋的方向與角的平分線垂直，所以稱這種條紋為橫向莫爾條紋。圖112 縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋，將兩塊節(jié)距為W和（1）W（<<1，即兩光柵的節(jié)距差很?。┑闹本€光柵平行地重合在一起，則可形成縱向莫爾條紋，見(jiàn)圖（112）。條紋的間距B為當(dāng)節(jié)距較小的一塊沿著光柵刻

21、劃的垂直方向移動(dòng)時(shí)，縱向莫爾條紋也沿著同一方向移動(dòng)；當(dāng)節(jié)距較大的一塊光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿反方向移動(dòng)。由于和W都是定值，所以縱向莫爾條紋的間距是不能調(diào)整的。斜向莫爾條紋，將形成縱向莫爾條紋的兩塊光柵中的一塊轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度，則形成的莫爾條紋同時(shí)具有縱向和橫向莫爾條紋的屬性，稱為斜向莫爾條紋。條紋的斜角和間距B為：莫爾條紋具有如下的特性： 莫爾條紋移動(dòng)與光柵相對(duì)移動(dòng)相對(duì)應(yīng)當(dāng)光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距W時(shí)，莫爾條紋（橫向）就沿著近于垂直刻劃方向移動(dòng)一個(gè)條紋寬度B。當(dāng)光柵移動(dòng)方向改變時(shí)，莫爾條紋的移動(dòng)方向也隨之改變。因此，只要知道莫爾條紋的移動(dòng)數(shù)目，就可知道光柵相對(duì)移動(dòng)的數(shù)目了。 莫爾條紋具有移位放大作用

22、條紋寬度B與柵距W之比稱為莫爾條紋的放大倍數(shù)K。一般角的取值很小，因此K很大，這時(shí)的莫爾條紋就像一個(gè)高效的前置放大器，一般的光學(xué)機(jī)械方法是很難做到的，莫爾條紋的可調(diào)范圍很寬，在一個(gè)條紋間隔中還可以設(shè)置電子測(cè)微裝置，以實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)角。 莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用莫爾條紋是由一系列的光柵刻線交點(diǎn)組成，若光柵的柵距有誤差，則交點(diǎn)的連線不會(huì)是直線，但光電接收器件收到的光信號(hào)是進(jìn)入指示光柵視場(chǎng)內(nèi)的所有信號(hào)數(shù)N的平均光能，該光能是將柵距誤差取平均值使用的結(jié)果。 設(shè)單個(gè)柵距的誤差為，形成莫爾條紋的視場(chǎng)內(nèi)有N條刻線，則柵距的平均誤差為：例如AGA700型電子速測(cè)儀的徑向光柵每毫米約有100刻線，若單個(gè)刻

23、線的誤差，用10×10mm的光電接收器件，則N100×101000（刻線），故。所以，人們利用莫爾條紋的這一特點(diǎn)，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，此外還可以利用光柵來(lái)控制光柵的制造過(guò)程，使之生產(chǎn)出比樣本光柵更好的光柵，這便是所謂的光學(xué)優(yōu)生法原理。 莫爾條紋便于自動(dòng)控制和數(shù)字化測(cè)量莫爾條紋有較大的反差和光強(qiáng)變化，便于將被測(cè)量的物理量正確、高速地傳遞給其它探測(cè)系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制和數(shù)字化測(cè)量。2.莫爾條紋的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理及裝置光柵讀數(shù)裝置是將光柵的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。是光柵計(jì)數(shù)和電子測(cè)微的信號(hào)源。光柵讀數(shù)裝置一般包括光源、照明系統(tǒng)、主光柵、指示光柵、接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器

24、件等部分。其原理如圖（113）所示。圖113 光柵模數(shù)轉(zhuǎn)換原理光源發(fā)出的光束經(jīng)透鏡變成一束亮度均勻的平行光，照亮主光柵3和指示光柵4，由于主光柵和指示光柵之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而輸出光強(qiáng)交變的莫爾條紋信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)接收物鏡5后到達(dá)光探測(cè)器6，由此轉(zhuǎn)換為描述莫爾條紋的電信號(hào)，供光電計(jì)數(shù)和電子測(cè)微使用。光柵讀數(shù)的方式有透射式和反射式兩類。在AGA700和E2電子速測(cè)儀上，用光學(xué)的方法把光柵度盤的影像重疊到對(duì)徑的光柵上，以替代指示光柵，這種光柵讀數(shù)裝置消除了度盤偏心差，又將光柵的相對(duì)移動(dòng)量擴(kuò)大了一倍，提高了光柵度盤的分辨率，如圖（114）所示。圖114 AGS700光柵讀數(shù)系統(tǒng)Wild TCL電子速測(cè)儀采用

25、反射式光柵讀裝置，由于采用反射式光柵度盤和具有特殊功能的相位分析光柵，使莫爾條紋的分辨率提高四倍。為了消除度盤偏心差的影響，在度盤對(duì)徑位置上設(shè)置了兩個(gè)光柵讀數(shù)頭。另外，光柵讀數(shù)裝置還需考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：為了提高測(cè)角精度，必須采用角度的測(cè)微技術(shù)；為了實(shí)現(xiàn)正確計(jì)算，必須進(jìn)行計(jì)數(shù)方向的判別。 由于這種測(cè)角的方法是通過(guò)對(duì)光柵計(jì)數(shù)來(lái)確定角值的，因而也稱為增量式測(cè)角。儀器可以順時(shí)針也可以逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如果照準(zhǔn)部順指針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)計(jì)數(shù)累加，而當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)了目標(biāo)，還必須按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)回到目標(biāo)。這樣，計(jì)數(shù)系統(tǒng)應(yīng)從總計(jì)數(shù)中減去逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的計(jì)數(shù)。因此，該計(jì)數(shù)系統(tǒng)必須具有方向判別功能，才能得到正確的角值。 為了判別方向，最為

26、簡(jiǎn)單的方法是再增加一個(gè)光電二極管，它與原來(lái)的獲取計(jì)數(shù)信息的光電二極管的間隔為莫爾條紋的四分之一（B/4 ），使得這兩個(gè)光電二極管所獲取的信號(hào)的相位差為，如圖（115）所示，當(dāng)照準(zhǔn)部順指針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，莫爾條紋從左向右移動(dòng)，則b 光電二極管獲取的信號(hào)總是比a光電二極管獲取的信號(hào)滯后。這樣，由于旋轉(zhuǎn)方向的不同，a、b光電二極管所獲取的信號(hào)的相位差發(fā)生了變化，在電路上就可以利用這種變化來(lái)控制脈沖計(jì)數(shù)，使照準(zhǔn)部順指針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法運(yùn)算。反之，進(jìn)行減法運(yùn)算。最后獲得正確的角度。圖115 光柵計(jì)數(shù)的方向判別角度的電子測(cè)微技術(shù) 無(wú)論是編碼度盤還是光柵度盤，直接測(cè)定角度的精度是很低的。如將一度盤刻成8個(gè)碼

27、道，已經(jīng)不是簡(jiǎn)單了，而其角度分辨率僅為，這是由于受到度盤直徑、度盤刻制技術(shù)和光電讀數(shù)系統(tǒng)的尺寸所限制。同樣對(duì)于光柵度盤也是如此。 角度電子測(cè)微技術(shù)是運(yùn)用電子技術(shù)對(duì)交變的電信號(hào)進(jìn)行內(nèi)插，從而提高計(jì)數(shù)脈沖的頻率，達(dá)到細(xì)分的效果。光柵測(cè)微的途徑有三種：機(jī)械法、光學(xué)法和電子細(xì)分法。也有三種方法結(jié)合在一起的綜合法。目前，電子細(xì)分法以其測(cè)微精度高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等顯著的優(yōu)越性已成為通用方法。下面介紹常用的電子測(cè)微方法四倍頻直接測(cè)微法。該法有英國(guó)費(fèi)南梯（Ferranti）公司首創(chuàng)，是目前各種電子測(cè)微技術(shù)的基礎(chǔ)。在上面介紹光柵度盤方向判別時(shí)已經(jīng)提到，為了判別計(jì)數(shù)方向，必須另加一個(gè)光電二極管，其位置與原來(lái)讀數(shù)的光電二

28、極管的間隔為四分之一莫爾條紋寬度（B/4），使得兩光電二極管所獲取的信號(hào)的相位差為。每移動(dòng)一個(gè)光柵，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)莫爾條紋的移動(dòng)，且被光電二極管接收的莫爾條紋的亮度變化一周。這樣，每通過(guò)一個(gè)條紋，兩光電二極管收到的信號(hào)就有四個(gè)過(guò)零點(diǎn)1、2、3、4。如圖（116）所示。經(jīng)過(guò)一定的電路就可將四個(gè)過(guò)零點(diǎn)轉(zhuǎn)化為四個(gè)脈沖，且相鄰兩脈沖的間隔為，相當(dāng)于B/4,故稱四倍頻。在該法中，光電信號(hào)整形后產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖并進(jìn)行編碼，中間不必提取測(cè)微信息，故有稱為直接測(cè)微法。圖116 兩路信號(hào)地四個(gè)過(guò)零點(diǎn)圖117 四倍頻直接測(cè)微法方框圖圖（117）為四倍頻直接測(cè)微法的方框圖。信號(hào)經(jīng)過(guò)四相取樣電路后得到四個(gè)相位差為的電信號(hào)u

29、1、u2、u3、u4：其中為直流分量。為了消除這一直流分量，一般利用差分放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后得到四個(gè)相差為的信號(hào)為：上式四個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大、過(guò)零鑒別器后，形成方波信號(hào)，該方波信號(hào)一路經(jīng)過(guò)編碼電路形成方向判別信號(hào)，另一路經(jīng)微分電路形成尖脈沖，做為編碼電路的計(jì)數(shù)信號(hào)，其原理見(jiàn)圖（118）。編碼電路由與門和或門構(gòu)成，其加法脈沖和減法脈沖輸出邏輯表達(dá)式為：這樣便得到了供計(jì)數(shù)器使用的正反計(jì)數(shù)脈沖，既實(shí)現(xiàn)了正反向測(cè)量的方向判別問(wèn)題，又解決了測(cè)角中的測(cè)微和計(jì)數(shù)問(wèn)題。圖118 測(cè)微計(jì)數(shù)和方向判別電路原理框圖三、光柵動(dòng)態(tài)測(cè)角原理 光柵動(dòng)態(tài)測(cè)角方式是建立在計(jì)時(shí)掃描絕對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)角基礎(chǔ)之上的一種電子測(cè)角方式。系統(tǒng)由絕對(duì)

30、光柵度盤及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與機(jī)座固連在一起的固定光柵探測(cè)器和與照準(zhǔn)部固連在一起的活動(dòng)光柵探測(cè)器，以及數(shù)字測(cè)微系統(tǒng)等組成。圖（119）為T2000電子全站儀測(cè)角系統(tǒng)示意圖。圖119T2000電子經(jīng)緯儀動(dòng)態(tài)測(cè)角原理 在測(cè)角過(guò)程中，T2000的度盤以特定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并用對(duì)徑讀數(shù)的中數(shù)消除度盤偏心差，另外，測(cè)角時(shí)，是對(duì)度盤上所有的刻劃進(jìn)行計(jì)量，然后取中數(shù)作為觀測(cè)結(jié)果，徹底消除了度盤刻劃誤差，也大大提高了測(cè)角精度。在度盤的圓周均勻刻劃了黑白相間的光柵條紋1024條，且一般刻劃線（不透光）的寬度為刻劃間隔（透光）的寬度的2倍。所以，每個(gè)光柵的角值即光柵度盤的單位角度為： 角度信息是通過(guò)光電信號(hào)的掃描來(lái)獲取，其光

31、電掃描裝置（讀數(shù)頭）。 在光柵度盤的內(nèi)沿對(duì)徑位置設(shè)置了一對(duì)與機(jī)座固連在一起的光柵探測(cè)器，而外沿對(duì)徑設(shè)置了一對(duì)與照準(zhǔn)部固連在一起的活動(dòng)光柵探測(cè)器，它與照準(zhǔn)部一起旋轉(zhuǎn)。我們可以將視為零位。則相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)線，與之間的夾角，即為待測(cè)的角度。為了便于確定角度計(jì)量的起始位置，度盤上間隔的位置還刻有A、B、C、D共四個(gè)粗細(xì)不同的編碼標(biāo)志，以便計(jì)量與之間的光柵數(shù)。所以也有人稱之為絕對(duì)式測(cè)角。 啟動(dòng)測(cè)角指令后，度盤在馬達(dá)的帶動(dòng)下，以一定的速度旋轉(zhuǎn)，使光電探測(cè)器斷續(xù)的收到透過(guò)光柵度盤的紅外線，并轉(zhuǎn)換為高、低電平信號(hào)，這樣便可實(shí)現(xiàn)對(duì)度盤的掃描。 設(shè)為一個(gè)刻劃周期的圓周角，度盤的刻劃總數(shù)為N，則對(duì)于任意角度，我

32、們總可以將其表示為：其中：n為正整數(shù)；由上式可知，只要測(cè)出n和，則角度即可確定。在圖中，由和波形的前沿存在一個(gè)時(shí)間延遲，它和的變化范圍相對(duì)應(yīng)，的變化范圍為0-，為一個(gè)光柵信號(hào)周期。由于馬達(dá)的轉(zhuǎn)速一定，所以度盤的轉(zhuǎn)速也是一定的，故有：其中：=1、2N；用脈沖填充的方法精確測(cè)定，處理器計(jì)算出后，再按下式計(jì)算整周多周次測(cè)量的平均值，作為最后結(jié)果。N值的測(cè)定是利用不同的四個(gè)編碼刻劃實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)度盤旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，四個(gè)編碼刻劃分別經(jīng)過(guò)和一次，和發(fā)出的信號(hào)依次為。A刻劃由轉(zhuǎn)到所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為，則待測(cè)角中所含的的個(gè)數(shù)可由下式給出：同理，其它三個(gè)編碼刻劃也可測(cè)出三個(gè)n值，微處理機(jī)將一周測(cè)出的四個(gè)n值加以比較，若有差異

33、，則自動(dòng)重復(fù)測(cè)量一次，以保證n值的正確性。光柵度盤掃描完畢后，由微處理機(jī)將和進(jìn)行銜接，得到角度值。第二章 距離測(cè)量地面兩點(diǎn)間的距離是推算點(diǎn)坐標(biāo)的重要元素之一，因而距離測(cè)量也是最常見(jiàn)的測(cè)量工作。傳統(tǒng)的距離測(cè)量方法是皮卷尺測(cè)量、鋼帶尺測(cè)量和視距測(cè)量?，F(xiàn)代的測(cè)量方法有電磁波測(cè)距法和GPS衛(wèi)星測(cè)量方法等。傳統(tǒng)測(cè)距方法精度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，但設(shè)備成本低?，F(xiàn)代測(cè)距方法精度高，速度快，但儀器設(shè)備價(jià)格相對(duì)昂貴。§21電磁波測(cè)距的基本原理一、 電磁波測(cè)距的基本概念電磁場(chǎng)理論早已揭示：光波（如激光、紅外光等）和微波同屬于電磁波，具有相同的傳播速度，約為。電磁波測(cè)距包含光電（光波）測(cè)距和微波測(cè)距兩部分；從目

34、前實(shí)用上的廣泛性而言，前者優(yōu)于后者。所謂的電磁波測(cè)距，就是用電磁波作為載波進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量的一門技術(shù)。其基本思想為測(cè)定電磁波往返于待測(cè)距離上的時(shí)間間隔，進(jìn)而計(jì)算出兩點(diǎn)間的長(zhǎng)度，如圖21所示。其出發(fā)計(jì)算公式為： 圖2-1 電磁波測(cè)距原理其中：C是電磁波在大氣中的傳播速度，可視為常數(shù)； t是電磁波在待測(cè)距離上的往返傳播時(shí)間。精確測(cè)定t是電磁波測(cè)距的關(guān)鍵。由于電磁波的速度很高，以至于t值很小，必須用高分辨率的設(shè)備去確定電磁波在傳輸過(guò)程中的時(shí)間間隔或時(shí)刻。人們?yōu)榱诉_(dá)到這一目的，設(shè)法將構(gòu)成時(shí)間間隔的兩個(gè)端點(diǎn)與瞬間電磁波的某種物理參數(shù)相互比較，精密地計(jì)算出時(shí)間t。迄今為止，已成功地將電磁波的不同物理參數(shù)引入測(cè)

35、距，因此，出現(xiàn)了變頻法、干涉法、脈沖法和相位法等不同的測(cè)距手段。表21說(shuō)明了不同測(cè)距方法的有關(guān)特性。 表21 光電測(cè)距方法光 波測(cè)距信號(hào)測(cè)距原理測(cè)量結(jié)果變頻法連續(xù)波調(diào)制光波測(cè)定調(diào)制波頻率絕對(duì)長(zhǎng)度相位法連續(xù)波調(diào)制光波測(cè)調(diào)制波相位差絕對(duì)長(zhǎng)度干涉法連續(xù)波干涉光波測(cè)定干涉條紋相對(duì)長(zhǎng)度脈沖法脈沖波光脈沖測(cè)定往返時(shí)間絕對(duì)長(zhǎng)度早期的光電測(cè)距儀一般用普可爾盒或可爾盒調(diào)制可見(jiàn)光的振幅通過(guò)測(cè)頻或測(cè)相的方法進(jìn)行測(cè)距。自從1968年紅外發(fā)光管應(yīng)用于相位法測(cè)距以來(lái)，它的低耗、輕便、廉價(jià)和精度穩(wěn)定等特點(diǎn)，使之成為光電測(cè)距應(yīng)用最廣泛的光源。在過(guò)去的歲月里，變頻法已被淘汰，脈沖法因精度問(wèn)題而處于次要地位，干涉法雖精度很高，但

36、由于設(shè)備昂貴和使用環(huán)境苛刻而多應(yīng)用于計(jì)量部門，因此就形成了相位法測(cè)距一枝獨(dú)秀的局面。但是，由于近十多年來(lái)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)時(shí)方法的不斷改進(jìn)，脈沖法發(fā)生了很大的變化，精度由原來(lái)的米級(jí)提高到毫米級(jí)，因而脈沖法測(cè)距和相位法測(cè)距是目前最為常用的方法。脈沖法測(cè)距一般采用激光作為光源，可在無(wú)合作目標(biāo)時(shí)進(jìn)行測(cè)距，因而在某些場(chǎng)合（如快速動(dòng)態(tài)時(shí)），具有相位法測(cè)距無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。本節(jié)將詳細(xì)討論兩種測(cè)距方法的原理。二、 磁波測(cè)距的發(fā)展概況電磁波測(cè)距儀的發(fā)展至今已有50多年的歷史。瑞典大地測(cè)量局物理學(xué)家貝爾格斯川（Bergstrand）采用光電技術(shù)從事光速值的測(cè)定試驗(yàn)，終于在1943年較精確地測(cè)定了光速值。進(jìn)而與

37、該國(guó)的AGA儀器公司合作，于1948年初步試驗(yàn)成功了一種利用白熾燈作光源的測(cè)距儀，命名為Geodimeter（大地測(cè)距儀或光電測(cè)距儀），邁開(kāi)了光電測(cè)距的第一步。后來(lái)經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，該公司就批量生產(chǎn)了型號(hào)為NASM2A的光電測(cè)距儀，暢銷世界各國(guó)，從而促進(jìn)了各國(guó)對(duì)光電測(cè)距技術(shù)的探討和儀器的研究。在以后的十余年時(shí)間內(nèi)，研究成功了20多種光電測(cè)距儀。它們的主要缺點(diǎn)是：儀器笨重，耗電量大，白天測(cè)程較短。例如NASM2A型儀器，本身（不包含附件）就重達(dá)94Kg，耗電量為150W，白天只能測(cè)6km左右。50年代真空電子管問(wèn)世后，南非人Wadley設(shè)計(jì)出了微波測(cè)距儀。1960年美國(guó)人梅曼（Maiman）研制成

38、功了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。接著，第二年就產(chǎn)生了世界上第一臺(tái)激光測(cè)距裝置。十多年來(lái)，隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，激光測(cè)距儀的類型也就日益增多，用處更加廣泛。1963年瑞士威特（WILD）廠開(kāi)始采用申化鎵（GaAs）紅外發(fā)光二極管試制測(cè)距儀，促進(jìn)儀器的逐步小型化。1968年定型產(chǎn)品（DI10）投入生產(chǎn)，以后又不斷更新，現(xiàn)在有多種型號(hào)產(chǎn)品暢銷世界各國(guó)。 在經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展后，目前電磁波測(cè)距儀已發(fā)展為一種常規(guī)的測(cè)量?jī)x器，國(guó)內(nèi)外研制、生產(chǎn)的廠家很多。產(chǎn)品的型號(hào)、工作方式、測(cè)程、精度等級(jí)也多種多樣，對(duì)于電磁波測(cè)距儀的分類通常有以下幾種：1按載波分類光電測(cè)距儀(光波)微波測(cè)距儀（無(wú)線電波）單載波多載波白熾

39、燈和汞燈紅外線激光電磁波測(cè)距儀 2按測(cè)程分類 短程：< 3 km ，用于普通工程測(cè)量和城市測(cè)量； 中程：35km ，常用于國(guó)家三角網(wǎng)和特級(jí)導(dǎo)線； 長(zhǎng)程：>15km ，用于一般的等級(jí)控制測(cè)量。3按測(cè)量精度分類電磁波測(cè)距儀的精度，常用如下公式表示：其中 A儀器標(biāo)稱精度中的固定誤差，以mm為單位； B儀器標(biāo)稱精度中的比例誤差系數(shù)，以mm/km為單位，也常表示為ppm（part per million）； D測(cè)距邊長(zhǎng)度，以km為單位。在中，當(dāng)D1km時(shí)，可劃分為三級(jí)： 級(jí)：< 5mm(每公里測(cè)距中誤差)；級(jí)：510mm;級(jí)：1120mm三、光脈沖法測(cè)距光脈沖法測(cè)距是以光脈沖作為測(cè)距信

40、號(hào)，直接測(cè)定每個(gè)光脈沖在往返距離上傳播時(shí)間，這種方法意大利的著名物理學(xué)家伽利略在十七世紀(jì)測(cè)定光速時(shí)，就采用過(guò)。上世紀(jì)七十年代初，脈沖測(cè)距應(yīng)用于人衛(wèi)大地測(cè)量，如G171衛(wèi)星激光測(cè)距儀，由紅寶石作為發(fā)光源，脈沖寬度為20ns，精度為1.5m，而第三代激光測(cè)距儀采用YAG（鋁石榴石）作為脈沖光源，脈沖寬度壓縮到100ps，精度已經(jīng)達(dá)到。測(cè)程由過(guò)去的20003000km到現(xiàn)在的20000km。 在地面測(cè)量中，早期的脈沖測(cè)距儀一般精度只有米級(jí)，但它不需要合作目標(biāo)，測(cè)距時(shí)間極短，在快速測(cè)量，或高動(dòng)態(tài)等軍事部門應(yīng)用較多。1980年西德芬納儀器公司（Geo Fennel）與漢堡電子光學(xué)工程所（IBEO）合作研

41、究的脈沖技術(shù)，促使“FEN2000”脈沖測(cè)距儀系列的出現(xiàn)。1982年，瑞士的Wild儀器公司推出了DI3000系列脈沖測(cè)距儀。近年來(lái)，市場(chǎng)還出現(xiàn)了小型的手持式脈沖測(cè)距儀（DISTO），測(cè)距精度已經(jīng)達(dá)到了毫米級(jí)。圖22 脈沖法測(cè)距原理圖圖22為脈沖法測(cè)距原理圖。在脈沖測(cè)距儀中，其發(fā)射是以瞬間的電脈沖流過(guò)發(fā)光二極管，使其轉(zhuǎn)換出窄小的光脈沖。每個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)，大部分的能量發(fā)射至反射器，同時(shí)還有很少的一部分脈沖信號(hào)傳輸?shù)接|發(fā)器，經(jīng)過(guò)觸發(fā)器去打開(kāi)電子門，電子門一打開(kāi)，計(jì)時(shí)用的時(shí)標(biāo)脈沖就通過(guò)電子門進(jìn)入計(jì)數(shù)器。當(dāng)發(fā)送到反射器的脈沖被返回時(shí)，經(jīng)接收單元接收后，也送往觸發(fā)器，通過(guò)電子門去關(guān)閉電子門，時(shí)標(biāo)脈沖就不能

42、通過(guò)電子門，那么計(jì)數(shù)器上記錄下的時(shí)標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)m，將對(duì)應(yīng)于測(cè)距脈沖信號(hào)在被測(cè)距離D上往返傳播所需的時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)，通過(guò)的脈沖個(gè)數(shù)就越多，反之就越少，根據(jù)時(shí)標(biāo)脈沖的個(gè)數(shù)就可計(jì)算出時(shí)間，從而獲得距離。如某臺(tái)脈沖式測(cè)距儀，其時(shí)標(biāo)脈沖的頻率為fp=1MHz，設(shè)電磁波的速度為,用該儀器測(cè)量某一段距離，計(jì)數(shù)器顯示的時(shí)標(biāo)脈沖的個(gè)數(shù)為3000個(gè)，則該段距離為D=100米。 脈沖法測(cè)距需要多次重復(fù)進(jìn)行。測(cè)距脈沖的重復(fù)頻率要考慮脈沖在往返距離上的傳播時(shí)間，當(dāng)最大測(cè)程為30km時(shí)，相應(yīng)的往返時(shí)間為0.2ms，則脈沖信號(hào)的頻率不能超過(guò),一般為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，采用2-3KHz。 在脈沖測(cè)距儀中，對(duì)于脈沖往返時(shí)間間隔的測(cè)定精度

43、要求很高。若要求測(cè)距精度為，則測(cè)時(shí)精度應(yīng)達(dá)到 ：為了滿足如此高的測(cè)時(shí)精度，計(jì)數(shù)脈沖的周期必須足夠小，F(xiàn)EN2000測(cè)距儀中采用300MHz高頻振蕩器產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，并采用多次測(cè)量取平均值的方法，使得最終測(cè)量結(jié)果達(dá)到mm級(jí)的精度。 除采用多次測(cè)量方法外，在脈沖測(cè)距儀中也可采用模擬數(shù)字式測(cè)時(shí)方法，使單次測(cè)量精度達(dá)到mm級(jí)。 在這種方法中，以參考振蕩器作為計(jì)時(shí)單位，不足一個(gè)計(jì)數(shù)單位的小數(shù)部分，可以用時(shí)間擴(kuò)展的方法將微小的時(shí)間間隔，轉(zhuǎn)換為電壓值進(jìn)行測(cè)量，其單次測(cè)量時(shí)間的精度可以達(dá)到mm級(jí)。以Wild廠的DI3000為例，見(jiàn)圖23：圖23 Wild DI3000計(jì)時(shí)原理時(shí)標(biāo)脈沖的頻率為15MHz，整周期的

44、計(jì)數(shù)為脈沖的前沿（或后沿）數(shù)目，得到的距離粗值為nT（T為時(shí)標(biāo)的周期），但其分辨率僅為10m，不足一個(gè)整周期的部分Ta和Tb則用一種高分辨率的時(shí)間電壓轉(zhuǎn)換器件（Time Amplitude Comenter ，TAC）來(lái)測(cè)量。TAC的核心是一只高精度的電容器，在Ta和Tb的時(shí)間內(nèi)，用恒流充電，電容器中充電量的多少，即電容器的電壓的大小與Ta和Tb的時(shí)間間隔成正比，其關(guān)系如圖24所示，測(cè)量電容的電壓，即可用下式計(jì)算出激光脈沖精確的傳播時(shí)間。 圖24 TAC原理 經(jīng)重復(fù)測(cè)量后，精度可進(jìn)一步提高。另外，在儀器內(nèi)部設(shè)立了TAC校驗(yàn)電路，實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確測(cè)定時(shí)間與電壓的比例關(guān)系，以減小外界環(huán)境、元件參數(shù)的變化

45、而產(chǎn)生的影響，同時(shí)還設(shè)有溫度傳感器件，對(duì)參考晶震頻率變化進(jìn)行改正。 在圖24中，由微機(jī)控制，發(fā)出TAC低電平控制信號(hào)，在參考信號(hào)一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)對(duì)電容充電，得到電壓Ug，隨后發(fā)出TAC高電平控制信號(hào)，對(duì)電容充電兩個(gè)周期，得到電壓Og，由下式：可求得時(shí)間 / 電壓的直線斜率，并以此作為時(shí)間與電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)，來(lái)保證所測(cè)時(shí)間（Ta和Tb）的精確性。四、相位法測(cè)距1 相位法測(cè)距的基本原理相位法測(cè)距，也稱為間接法測(cè)距，它不是直接測(cè)定電磁波的往返傳播時(shí)間，而是測(cè)定由儀器發(fā)出的連續(xù)電磁波信號(hào)在被測(cè)距離上往返傳播而產(chǎn)生的相位變化（即相位差），根據(jù)相位差求得時(shí)間，從而求得距離D。 其基本原理框圖如圖25：圖25

46、 相位法測(cè)距原理設(shè)測(cè)距儀發(fā)射的電磁波信號(hào)為： 電磁波在被測(cè)距離上的往返傳播時(shí)間為，因此，測(cè)距儀接收的電磁波信號(hào)為： 在這段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的相位差為。 測(cè)距儀把未發(fā)出的信號(hào)（參考信號(hào)）與接收的信號(hào)（測(cè)距信號(hào)）送入測(cè)相器，測(cè)相器可以測(cè)出兩路信號(hào)的相位差，那么： 又 則：代入式則有：這就是相位法測(cè)距的基本公式。對(duì)上式變換一下，任何相位差總可以分為若干個(gè)與一個(gè)不足的之和，即：代入上面距離公式得： 其中N為正整數(shù)，為小于1的小數(shù)，為測(cè)距信號(hào)的波長(zhǎng)。從上式可以看出，相位法測(cè)距就好像用一把尺子在丈量距離，尺子的長(zhǎng)度為，N為測(cè)出的整尺段數(shù)，為不足一尺的尾數(shù)。相位法測(cè)距儀的功能就是測(cè)定N和值。2.相位法測(cè)距儀的基本

47、構(gòu)成及測(cè)相原理(1)基本構(gòu)成相位式測(cè)距儀一般有四個(gè)部分組成，即發(fā)射部分、反射部分、接收部分、測(cè)相部分，各部分又有不同的部件組成。其基本的框圖如圖26所示：圖26 相位法測(cè)距儀的基本構(gòu)成發(fā)射部分：由晶體振蕩器、紅外發(fā)光二極管、發(fā)射電路組成，晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生低頻測(cè)距信號(hào)，現(xiàn)代測(cè)距儀中的晶體振蕩器多采用溫補(bǔ)電路和頻率綜合技術(shù)，使產(chǎn)生的測(cè)距信號(hào)有較高的頻率穩(wěn)定性，這是保證測(cè)距精度的重要條件。發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光的光強(qiáng)，由測(cè)距信號(hào)調(diào)制隨之變化，并通過(guò)聚束光路使之稱為平行光發(fā)射出去。反射部分：此部分較為簡(jiǎn)單，一般采用直角反射棱鏡，如圖27所示，它是由正方體截取一個(gè)角得到的一個(gè)四面體，再將四面體的四

48、個(gè)棱角磨光而成。這種反射鏡具有入射光與反射光總是平行的特性，這就使得在棱鏡粗略對(duì)準(zhǔn)測(cè)距儀的情況下，測(cè)距儀發(fā)射的紅外光仍能返回到測(cè)距儀。圖27 反射鏡接收部分：由接收光路和光電二極管組成，其關(guān)鍵部分為光電二極管。經(jīng)由接收光路的紅外光聚焦到光電二極管上，光電二極管實(shí)質(zhì)是一個(gè)光敏器件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此過(guò)程也稱為測(cè)距信號(hào)的解調(diào)。測(cè)相部分：由本機(jī)振蕩器、基準(zhǔn)混頻器、測(cè)距混頻器和測(cè)相器組成。由于在低頻段進(jìn)行測(cè)相的精度要優(yōu)于在高頻段，而測(cè)距信號(hào)的頻率一般較高常在，因此在將測(cè)距信號(hào)送往測(cè)相器之前，需要降低測(cè)距信號(hào)的頻率，即混頻。混頻是將測(cè)距信號(hào)和本機(jī)振蕩信號(hào)同時(shí)送入測(cè)距混頻器，由混頻器輸出一個(gè)低頻信號(hào)

49、（如1KHz），此低頻信號(hào)的頻率為兩輸入信號(hào)的頻率之差；同樣，參考信號(hào)也與本機(jī)振蕩信號(hào)在基準(zhǔn)混頻器中混頻，產(chǎn)生另一個(gè)同頻的低頻信號(hào)。將兩個(gè)低頻信號(hào)輸入到測(cè)相器，所測(cè)定的相位差，由電學(xué)理論可以證明，與兩高頻信號(hào)（測(cè)距信號(hào)和參考信號(hào)）的相位差相同。 (2) 測(cè)相原理測(cè)相方法主要有手動(dòng)平衡式和自動(dòng)數(shù)字式。在現(xiàn)代測(cè)距儀中，前者已被淘汰，而多采用后者。自動(dòng)數(shù)字式測(cè)相的原理框圖如圖28所示：圖28 數(shù)字測(cè)相原理當(dāng)把參考信號(hào)和測(cè)距信號(hào)送入測(cè)相器前，先把兩路信號(hào)通過(guò)通道整形成方波信號(hào)，再把兩路方波信號(hào)送入觸發(fā)器CHP中，CHP觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端S和R，兩個(gè)輸出端和。當(dāng)R輸入低電平時(shí)，無(wú)論S端輸入為高或低電平，

50、端均輸出低電平，當(dāng)R端輸入高電平時(shí)，若S端輸入高電平則端輸出低電平，若S端輸入低電平則端輸出高電平，其邏輯波形見(jiàn)圖29。圖29 數(shù)字測(cè)相波形圖分析CHP的端的輸出波形，可以看出，其高電平部分正好等于參考信號(hào)與測(cè)距信號(hào)之間的相位差，只要測(cè)出CHP 端輸出高電平的時(shí)長(zhǎng)就測(cè)出了相位差。把端輸出的信號(hào)送入電子門，高電平會(huì)打開(kāi)電子門，低電平時(shí)關(guān)閉電子門。當(dāng)電子門打開(kāi)時(shí)，時(shí)標(biāo)脈沖通過(guò)電子門到達(dá)計(jì)數(shù)器，顯然，計(jì)數(shù)器的值與端輸出高電平的時(shí)長(zhǎng)成正比，也即計(jì)數(shù)器的值與相位差成正比。 設(shè)計(jì)數(shù)器值為m，則相位差為： 式中：為時(shí)標(biāo)脈沖測(cè)頻率； 為混頻后低頻信號(hào)的頻率。 上述為一次測(cè)相過(guò)程，為了減少大氣抖動(dòng)及電路噪聲等影

51、響，減弱偶然誤差，提高測(cè)距精度，通常一次距離測(cè)量需要進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)相，以平均值作為最終結(jié)果。為此，在測(cè)相電路的Y1門之后，在增加一個(gè)Y2門，其作用是用閘門時(shí)間tg控制測(cè)量的持續(xù)時(shí)間，在一次測(cè)量持續(xù)時(shí)間內(nèi)，完成上百次甚至上千次的測(cè)相。由于被測(cè)信號(hào)均為周期信號(hào)，故相位差測(cè)量?jī)H能測(cè)出兩個(gè)信號(hào)02之間的相位差尾數(shù)，其2的整倍數(shù)無(wú)法確定，即只能測(cè)出中的部分。這就如同用一把尺子丈量距離，測(cè)量中記不住整尺段數(shù)，而只知道最后不足一尺的距離尾數(shù)，因此在相位法測(cè)距儀中還存在一個(gè)整尺段數(shù)N的確定問(wèn)題。3. N值的確定3.682573.6573.682m 組合距離 由于被測(cè)距離的長(zhǎng)短不一，距離愈長(zhǎng)N愈大，反之N愈小,

52、使得N出現(xiàn)多值性。為避免N的多值性，不難設(shè)想，若使測(cè)尺長(zhǎng)大于儀器的最大測(cè)程，則N值將恒為0，N的多值性問(wèn)題得以解決。但這又存在一個(gè)精度問(wèn)題，因?yàn)闇y(cè)相器的實(shí)際測(cè)相精度是一定的，一般可達(dá)，測(cè)尺愈長(zhǎng)其測(cè)距精度愈低，為了既有較大的測(cè)程，又有較高的精度，實(shí)際測(cè)距儀中通常輸出一組（兩個(gè)以上）測(cè)距頻率，以短測(cè)尺（也稱精測(cè)尺）保證精度，而用長(zhǎng)測(cè)尺（也稱粗測(cè)尺）來(lái)確定大數(shù)，保證測(cè)程。例如選用兩把測(cè)尺，其尺長(zhǎng)分別為10m和1000m，用它分別測(cè)量某一段長(zhǎng)度為573.682m的距離時(shí)，精測(cè)尺可測(cè)得不足10m的尾數(shù)3.682m，而粗測(cè)尺可測(cè)得不足1000m的尾數(shù)573.6m，將兩者組合起來(lái)即可得最后距離573.682

53、m,即 對(duì)于測(cè)尺頻率的選定，一般有分散的直接測(cè)尺頻率方式和集中的間接頻率方式或兩種方式的組合。直接測(cè)尺頻率方式是產(chǎn)生兩個(gè)以上的測(cè)距頻率，分別測(cè)定距離，而后組合得到最后的距離，如上所述就是兩個(gè)頻率的直接測(cè)尺頻率方式。當(dāng)測(cè)程進(jìn)一步增加時(shí)，就需要增加測(cè)尺的數(shù)目，各個(gè)測(cè)尺的頻率差變得很大，這又將出現(xiàn)新的問(wèn)題。由于高低頻信號(hào)的特性差異很大，使得許多電路單元如放大器、調(diào)制器等不能公用，必須分別設(shè)置，這將使儀器成本、體積、功耗增加，同時(shí)穩(wěn)定性也將降低。為解決此問(wèn)題，現(xiàn)代相位法測(cè)距儀中采用集中的間接頻率方式，即采用一組頻率接近的信號(hào)，間接獲得一組測(cè)尺長(zhǎng)度相差較大的測(cè)距頻率一種方法。為了說(shuō)明其原理，設(shè)有兩個(gè)頻率

54、接近的信號(hào)和，其半波長(zhǎng)分別為,應(yīng)用兩個(gè)頻率測(cè)定同一距離D，則有變換后 上面兩式相減得 式中 因?yàn)?，所以 在上述公式中，可以認(rèn)為是一個(gè)新的測(cè)尺頻率。其值等于和之差。是新測(cè)尺頻率所對(duì)應(yīng)的測(cè)尺長(zhǎng)度。 不難看出，如果用兩個(gè)測(cè)尺頻率分別測(cè)定某一距離時(shí)，所得的相位尾數(shù)分別為，那么兩者之差和用與的差頻頻率所測(cè)量同一距離時(shí)得到的相位尾數(shù)相等。例如，用的調(diào)制頻率測(cè)量同一距離得到的相位尾數(shù)差值，與用差頻的測(cè)距頻率測(cè)量該距離得到的相位尾數(shù)值相等。間接頻率方式就是基于這一原理進(jìn)行測(cè)距的。即它是通過(guò)測(cè)量頻率的相位尾數(shù)，并取其差值，來(lái)間接測(cè)定出差頻頻率的相位尾數(shù)，等效于直接采用差頻頻率進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)測(cè)程較大時(shí)，則需要多個(gè)相互接近的測(cè)距頻率，分別測(cè)定相位尾數(shù)，并分別取其差值，即可等效得到多個(gè)不同長(zhǎng)度的測(cè)尺所測(cè)定的結(jié)果。如表2-2所示，五個(gè)間接測(cè)尺頻率頻率非常接近，放大器、調(diào)制器等電路單元可共用，將測(cè)定結(jié)果分別取差，相當(dāng)于用測(cè)尺長(zhǎng)度分別為10m、100m、1km 、10km和100km五個(gè)測(cè)尺進(jìn)行測(cè)距。表22 測(cè)尺頻率等效測(cè)尺頻率測(cè)尺長(zhǎng)度精度10m1c