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1、n4.3 电磁波测距电磁波测距(electro-magnetic distance measuring，简称EDM)n电磁波测距是用电磁波(光波或微波)作为载波，传输测距信号，以测量两点间距离的一种方法。nEDM具有测程长、精度高、作业快、工作强度低、几乎不受地形限制等优点。n4.3.1 电磁波测距技术发展简介电磁波测距技术发展简介n1948年，瑞典AGA(阿嘎)公司(现更名为Geotronics(捷创力)公司)研制成功了世界上第一台电磁波测距仪，n它采用白炽灯发射的光波作载波，应用了大量的电子管元件，仪器相当笨重且功耗大。n为避开白天太阳光对测距信号的干扰，只能在夜间作业，测距操作和计算都比
2、较复杂。n1960年世界上成功研制出了第一台红宝石激光器和第一台氦-氖激光器，1962年砷化镓半导体激光器研制成功。n与白炽灯比较，激光器的优点是发散角小、大气穿透力强、传输的距离远、不受白天太阳光干扰、基本上可以全天侯作业。n1967年AGA公司推出了世界上第一台商品化的激光测距仪AGA-8。n该仪器采用5mw的氦-氖激光器作发光元件，白天测程为40km，夜间测程达60km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量23kg。n我国的武汉地震大队也于1969年研制成功了JCY-1型激光测距仪，1974年又研制并生产了JCY-2型激光测距仪。该仪器采用2.5mw的氦-氖激光器作发光元件，白天测程为
3、20km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量16.3kg。n随着半导体技术的发展，从60年代末70年代初起，采用砷化镓发光二极管作发光元件的红外测距仪逐渐在世界上流行起来。n与激光测距仪比较，红外测距仪有体积小、重量轻、功耗小、测距快、自动化程度高等优点。n由于红外光的发散角比激光大，所以红外测距仪的测程一般小于15km。n现在的红外测距仪已经和电子经纬仪及计算机软硬件制造在一起，形成了全站仪，并向着自动化、智能化和利用蓝牙技术实现测量数据的无线传输方向飞速发展。n电磁波测距仪按其所采用的载波可分为：n用微波段的无线电波作为载波的微波测距仪(microwave EDM instrument
4、)；n用激光作为载波的激光测距仪(laser EDM instrument)；n用红外光作为载波的红外测距仪(infrared EDM instrument)，n后两者又统称为光电测距仪。n微波和激光测距仪多属于长程测距，测程可达60km，一般用于大地测量，n而红外测距仪属于中、短程测距仪(测程为15km以下)，一般用于小地区控制测量、地形测量、地籍测量和工程测量等。n本节主要介绍光电测距仪的基本原理和测距方法。n4.3.3 红外测距仪及其使用红外测距仪及其使用n红外测距仪按其照准目标的方式可以分成带望远镜和不带望远镜的两种。n图4-15是南方测绘公司生产的ND3000红外相位式测距仪，n它自
5、带望远镜，望远镜的视准轴、发射光轴和接收光轴同轴，n有垂直制动螺旋和微动螺旋，可以安装在光学经纬仪上或电子经纬仪上。n测距时，测距仪瞄准棱镜测距，经纬仪瞄准棱镜测量竖直角，n通过测距仪面板上的键盘，将经纬仪测量出的天顶距输入到测距仪中，n可以计算出水平距离和高差。n图4-16为与仪器配套的棱镜对中杆与支架，它用于放样测量非常方便。n图4-17是徕卡公司生产的DI1000红外相位式测距仪，n它不带望远镜，发射光轴和接收光轴是分立的，n仪器通过专用连接装置安装到徕卡公司生产的光学经纬仪或电子经纬仪上。n测距时，当经纬仪的望远镜瞄准棱镜下的照准觇牌时，n测距仪的发射光轴就瞄准了棱镜，n使用仪器的附加
6、键盘将经纬仪测量出的天顶距输入到测距仪中，n即可计算出水平距离和高差。n(1)DI1000的主要技术指标的主要技术指标n1)红外光源波长：0.865mn2)测尺长及对应的调制频率n 精测尺长=20m，f=7.492700MHzn 粗测尺长=2000m，f=74.92700kHzn3)测程：800m(单棱镜)n 1600m(三棱镜)n4)标称精度：正常测距(按图4-18的“DIST”键)为(5mm+5ppm)n 跟踪测距(按图4-18的“TRK”键)为(10mm+5ppm)n5)测量时间：正常测距 4.5s10sn 跟踪测距 初始测距3s，以后每次测距0.3sn6)显示：带有灯光照明的7位数字液
7、晶显示，最小显示距离1mmn7)工作温度范围：-20+50n 储存温度范围：-40+70n8)功率消耗：开机但不测距时1W(0.09A/12V)n 测距或测试时2.4W(0.2A/12V)n9)供电：镍镉(NiCd)可充电电池，12V直流电，在电池充满电(电池用完后必须连续充电14个小时)的情况下nGEB76迷你电池，容量0.5Ah，重0.4kg，可以连续测距500次或者连续测距8个小时(假设每分钟测距一次)n(4)测相误差测相误差n测相误差包括自动数字测相系统的误差，n测距信号在大气传输中的信噪比误差n信噪比为接收到的测距信号强度与大气中杂散光的强度之比n前者决定于测距仪的性能与精度，后者与
8、测距时的自然环境有关，n例如空气的透明程度、干扰因素的多少、视线离地面及障碍物的远近。n(5)仪器对中误差仪器对中误差n光电测距是测定测距仪中心至棱镜中心的距离，n因此仪器对中误差包括测距仪的对中误差和棱镜的对中误差。n用经过校准的光学对中器对中，此项误差一般不大于2mm。n光电测距仪使用注意事项光电测距仪使用注意事项n(1)红外测距仪是使用镍镉可充电电池作为供电电源，n由于镍镉电池具有记忆效应，所以一定要确认电池的电量已经全部用完后n才可以充电，否则电池的容量会逐渐减小而损坏电池；n(2)光电测距仪属于精密贵重仪器，运输、携带、装卸、操作过程中n都必须十分小心。运输和携带中要防震、防潮，装卸
9、和操作中要注意连接牢固、n电源插接正确、严格按操作程序使用仪器，搬站时必须将仪器装箱。n(3)有阳光的天气必须撑伞保护仪器，在通电作业时，n严防阳光及其它强光直射接收物镜，更不能将接收物镜对准太阳，n以免损坏接收镜内的光敏二极管。n(4)设置测站时要避免强电磁场的干扰，例如在变压器、高压线附近不宜设站。n(5)气象条件对光电测距有较大的影响。n不宜在阳光强烈、视线靠近地面或者高温(35以上)的环境条件下观测。n4.4 直线定向直线定向n确定地面直线与标准方向间的水平夹角称为直线定向(line orientation)。n(1)标准方向的分类标准方向的分类n1)真子午线方向(true merid
10、ian direction)n地表任一点P与地球旋转轴所组成的n平面与地球表面的交线称为nP点的真子午线(true meridian)，n真子午线在P点的切线方向称为nP点的真子午线方向。n可以应用天文测量(astrometry)方法n或者陀螺经纬仪(gyro theodolite)n来测定地表任一点的真子午线方向。n2)磁子午线方向(magnetic meridian direction)n地表任一点与地球磁场南北极连线所组成的平面与地球表面交线称为点的磁子午线(magnetic meridian)，磁子午线在点的切线方向称为点的磁子午线方向。可以应用罗盘仪(compass)来测定，在点安置
11、罗盘，磁针自由静止时其轴线所指的方向即为点的磁子午线方向。n3)坐标纵轴方向(ordinates axis direction)n过地表任一点且与其所在的高斯平面直角坐标系或者假定坐标系的坐标纵轴平行的直线称为点的坐标纵轴方向。n(4)用罗盘仪测定磁方位角用罗盘仪测定磁方位角n1)罗盘仪的构造罗盘仪的构造n罗盘仪(compass)是测量直线磁方位角的仪器，如图4-23所示。n该仪器构造简单，使用方便，但精度不高，外界环境对仪器的影响较大，如钢铁建筑和高压电线都会影响其精度。n当测区内没有国家控制点可用，需要在小范围内建立假定坐标系的平面控制网时，可用罗盘仪测量磁方位角，作为该控制网起始边的坐标
12、方位角。n罗盘仪的主要部件有磁针、刻度盘、望远镜和基座。n 磁针：磁针用人造磁铁制成，磁针在度盘中心的顶针尖上可自由转动。为了减轻顶针尖的磨损，在不用时，可用位于底部的固定螺旋升高杠杆，将磁针固定在玻璃盖上。n 刻度盘：用钢或铝制成的圆环，随望远镜一起转动，每隔10有一注记，按逆时针方向从0注记到360，最小分划为1或30。刻度盘内装有一个圆水准器或者两个相互垂直的管水准器，用手控制气泡居中，使罗盘仪水平。n 望远镜：罗盘仪的望远镜与经纬仪的望远镜结构基本相似，也有物镜对光、目镜对光螺旋和十字丝分划板等，其望远镜的视准轴与刻度盘的0分划线共面，如图4-24所示。n 基座：采用球臼结构，松开球臼
13、接头螺旋，可摆动刻度盘，使水准气泡居中，度盘处于水平位置，然后拧紧接头螺旋。n 望远镜：罗盘仪的望远镜与经纬仪的望远镜结构基本相似，也有物镜对光、目镜对光螺旋和十字丝分划板等，其望远镜的视准轴与刻度盘的0分划线共面，如图4-24所示。n 基座：采用球臼结构，松开球臼接头螺旋，可摆动刻度盘，使水准气泡居中，度盘处于水平位置，然后拧紧接头螺旋。n2)用罗盘仪测定直线磁方位角的方法用罗盘仪测定直线磁方位角的方法n欲测直线AB的磁方位角，将罗盘仪安置在直线起点A，挂上垂球对中，n松开球臼接头螺旋，用手前、后、左、右转动刻度盘，使水准器气泡居中，拧紧球臼接头螺旋，n使仪器处于对中和整平状态。松开磁针固定
14、螺旋，让它自由转动，然后转动罗盘，用望远镜照准B点标志，待磁针静止后，按磁针北端(一般为黑色一端)所指的度盘分划值读数，即为AB边的磁方位角角值，如图4-25所示。n使用时，要避开高压电线和避免铁质物体接近罗盘，在测量结束后，要旋紧固定螺旋将磁针固定。n(2)陀螺经纬仪的构造陀螺经纬仪的构造n图4-28是国产JT15陀螺经纬仪(gyro theodolite)的结构图，n使用它测定地面任一点的真子午线方向的精度可以达到15。n陀螺经纬仪由DJ6经纬仪和陀螺仪组成，陀螺仪安装在DJ6经纬仪上的连接支架上。n陀螺仪由摆动系统、观察系统和锁紧限幅机构组成。n陀螺仪由摆动系统、观察系统和锁紧限幅机构组
15、成。n1)摆动系统n摆动系统包括悬吊带16、导线15、转子(马达)10、转子底盘7等，它们是整个陀螺仪的灵敏部件。转子要求运转平稳，重心要通过悬吊带的对称轴，可以通过转子底盘上的六个螺钉进行调节。悬吊带采用特种合金材料制成，断面尺寸为0.560.03mm，拉断力为2.4kg，实际荷重为0.78kg。n2)观测系统n观测系统是用来观察摆动系统的工作情况的。照明灯泡13将灵敏部件上的双线光标12照亮，通过成像透镜组19使双线光标成像在分划板18上，以便在观察窗中观察。n3)锁紧限幅机构n锁紧限幅机构包括凸轮4、限幅盘5、转子底盘7、锁紧圈8，用凸轮4使限幅盘沿导向轴3向上滑动，使限幅盘5托起转子的
16、底盘靠在与支架连接的锁紧圈8上。限幅盘上的三个泡沫塑料块6在下放转子部分时，能起到缓冲和摩擦限幅的作用。n(3)陀螺经纬仪的操作方法陀螺经纬仪的操作方法n陀螺仪转子的额定旋转速度21500转/分，可以形成很大的内力矩，如果操作不正确，很容易毁坏仪器，因此，正确使用陀螺仪非常重要。n在需要测定真子午线方向的点上安置好经纬仪后，应按下列步骤操作陀螺经纬仪：n1)粗定向：将仪器附带的罗盘仪安装在支架上的定位盘20上，旋转经纬仪照准部，使视线方向指向近似的真子午线北方向(误差12)，将经纬仪的水平微动螺旋旋至行程的中间位置，制动照准部，取下罗盘仪。n2)安置陀螺仪：将陀螺仪安装到支架上的定位盘20上，
17、旋紧固连螺环21，接好电源线，打开电源开关，启动陀螺转子，信号灯亮，当其转速达到额定转速后(大约需要3分钟)信号灯熄灭(有些仪器是信号灯颜色改变，具体参见仪器使用手册)。缓慢旋松锁紧机构，将摆动系统平稳放下，在陀螺仪的观察窗中观察陀螺的进动方向和速度，如果陀螺的进动速度很慢，就可以开始进行观测。观测方法有逆转点法和中天法。n3)观测完成后，要先旋紧锁紧机构，将摆动系统托起，才能关闭电源，拔掉电源线。待陀螺仪转子完全停止转动以后才允许卸下陀螺仪装箱。n(4)陀螺经纬仪的观测方法陀螺经纬仪的观测方法n1)逆转点法(reversal points method)n陀螺仪转轴在东、西两处的反转位置称为
18、逆转点(reversal points)。n逆转点法的实质就是通过旋转经纬仪的水平微动螺旋，在陀螺仪的观察窗中，用零线指标线22跟踪双线光标影像23，当摆动系统到达逆转点时，在经纬仪读数窗中读取水平度盘读数(称为逆转点读数)。n摆动系统到达逆转点并稍作停留后，将开始向真子午线方向摆动，反方向旋转经纬仪的水平微动螺旋继续跟踪摆动系统直至下一个逆转点，并读取水平度盘读数。重复上述基本操作，可以分别获得个逆转点读数为，n日本索佳公司生产的两种陀螺全站仪日本索佳公司生产的两种陀螺全站仪nGP1-2A自动陀螺式全站仪自动陀螺式全站仪n仪器特点是测量过程无须手工记录、记时或计算。所有工作通过对配套的全站仪
19、的键盘或者SF10外接键盘的简单操作完成。真方位角观测中误差为20，观测时间约20分钟，陀螺部分的重量为3.8kg。nAGP1全自动陀螺仪全自动陀螺仪n它由马达驱动全站仪和陀螺仪组成，观测前无须罗盘确定近似北方向，只需随意将仪器架设在特定的脚架上，按一下键，其电子马达即驱动仪器自动工作，并在屏幕上显示真北方向数据。陀螺部分的重量为10.4kg。根据所需精度不同，提供三种测量模式：n模式1：真方位角观测中误差为6，观测时间10分钟n模式2：真方位角观测中误差为32，观测时间2分钟n模式3：真方位角观测中误差为16，观测时间4分钟n当影响测量结果的变化，如温度变化、位移等发生时，n警示灯发出警告，以确保测量结果的可靠性。仪器包含一台经改进的与陀螺仪配套的全站仪。