全站仪的原理

全站仪的原理
全站仪的原理

全站仪的原理
全站型电子速测仪简称全站仪,它是一种可以同时进行角度（水平角、竖直角）测量、距离（斜距、平距、高差）测量和数据处理,由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器.由于只需一次安置,仪器便可以完成测站上所有的测量工作,故被称为 “全站仪 ”.
全站仪上半部分包含有测量的四大光电系统,即水平角测量系统、竖直角测量系统、水平补偿系统和测距系统.通过键盘可以输入操作指令、数据和设置参数.以上各系统通过 I/O接口接入总线与微处理机联系起来.
微处理机（ CPU）是全站仪的核心部件,主要有寄存器系列（缓冲寄存器、数据寄存器、指令寄存器）、运算器和控制器组成.微处理机的主要功能是根据键盘指令启动仪器进行测量工作,执行测量过程中的检核和数据传输、处理、显示、储存等工作,保证整个光电测量工作有条不紊地进行.输入输出设备是与外部设备连接的装置（接口）,输入输出设备使全站仪能与磁卡和微机等设备交互通讯、传输数据.目前,世界上许多著名的测绘仪器生产厂商均生产有各种型号的全站仪.
（一）概况
电磁波测距按测程来分,有短程 (＜ 3km )、中程 (3— 15km)和远程 (＞ 15km )之分.按测距精度来分,有Ⅰ级 ( 5mm)、Ⅱ级 ( 5mm— 10mm)和Ⅲ级 (＞ 10mm ).按载波来分,采用微波段的电磁波作为载波的称为微波测距仪；采用光波作为裁波的称为光电测距仪.光电测距仪所使用的光源有激光光源和红外光源 (普通光源已淘汰 ),采用红外线波段作为载波的称为红外测距仪.由于红外测距仪是以砷化稼 (GaAs)发光二极管所发的荧光作为载波源,发出的红外线的强度能随注入电信号的强度而变化,因此它兼有载波源和调制器的双重功能. GaAs发光二极管体积小,亮度高,功耗小,寿命长,且能连续发光,所以红外测距仪获得了更为迅速的发展.本节讨论的就是红外光电测距仪.
（二）测距原理
欲测定 A、 B两点间的距离 D,安置仪器于 A点,安置反射镜于 B点.仪器发射的光束由 A至 B,经反射镜反射后又返回到仪器.设光速 c为已知,如果光束在待测距离 D上往返传播的时间 ? .已知,则距离 D可由下式求出式中 c＝ c.／ n, c.为真空中的光速值,其值为 299792458m／ s, n为大气折射率,它与测距仪所用光源的波长,测线上的气温 t, 气压 P和湿度 e有关.
测定距离的精度,主要取决于测定时间 ? 的精度,例如要求保证 ±lcm的测距精度,时间测定要求准确到 6． 7×10—lls,这是难以做到的.因此,大多采用间接测定法来测定 ? .间接测定 ? 的方法有下列两种：
1 ．脉冲式测距
由测距仪的发射系统发出光脉冲,经被测目标反射后,再由测距仪的接收系统接收,测出这一光脉冲往返所需时间间隔 ( )的钟脉冲的个数以求得距离 D.由于计数器的频率一殷为 300MHz(300×106Hz),测距精度为 O .5m,精度较低.
2 ．相位式测距
由测距仪的发射系统发出一种连续的调制光波,测出该调制光波在测线上往返传播所产生的相依移,以测定距离 D.红外光电测距仪一般都采用相位测距法.
在砷化镕 (GaAs)发光二极管上加了频率为 f的交变电压 (即注入交变电流 )后,它发出的光强就随注入的交变电流呈正弦变化,这种光称为调制光.测距仪在 A点发出的调制光在待测距离上传播,经反射镜反射后被接收器所接收,然后用相位计将发射信号与接受信号进行相位比较,由显示器显出调制光在待测距离往、返传播所引起的相位移 φ.
（三）全站仪的操作与使用
不同型号的全站仪,其具体操作方法会有较大的差异.下面简要介绍全站仪的基本操作与使用方法.
全站仪的基本操作与使用方法如下：
1 ）水平角测量
（ 1）按角度测量键,使全站仪处于角度测量模式,照准第一个目标 A.
（ 2）设置 A方向的水平度盘读数为 0°00′00″.
（ 3）照准第二个目标 B,此时显示的水平度盘读数即为两方向间的水平夹角.
2 ）距离测量
（ 1）设置棱镜常数,测距前须将棱镜常数输入仪器中,仪器会自动对所测距离进行改正.
（ 2）设置大气改正值或气温、气压值光在大气中的传播速度会随大气的温度和气压而变化, 15℃和 760mmHg是仪器设置的一个标准值,此时的大气改正为 0ppm.实测时,可输入温度和气压值,全站仪会自动计算大气改正值（也可直接输入大气改正值）,并对测距结果进行改正.
（ 3）量仪器高、棱镜高并输入全站仪.
（ 4）距离测量
照准目标棱镜中心,按测距键,距离测量开始,测距完成时显示斜距、平距、高差.全站仪的测距模式有精测模式、跟踪模式、粗测模式三种.精测模式是最常用的测距模式,测量时间约 2.5S,最小显示单位 1mm；跟踪模式,常用于跟踪移动目标或放样时连续测距,最小显示一般为 1cm,每次测距时间约 0.3S；粗测模式,测量时间约 0.7S,最小显示单位 1cm或 1mm.在距离测量或坐标测量时,可按测距模式（ MODE）键选择不同的测距模式.　　应注意,有些型号的全站仪在距离测量时不能设定仪器高和棱镜高,显示的高差值是全站仪横轴中心与棱镜中心的高差.
3 ）坐标测量
（ 1）设定测站点的三维坐标.
（ 2）设定后视点的坐标或设定后视方向的水平度盘读数为其方位角.当设定后视点的坐标时,全站仪会自动计算后视方向的方位角,并设定后视方向的水平度盘读数为其方位角.
（ 3）设置棱镜常数.
（ 4）设置大气改正值或气温、气压值.
（ 5）量仪器高、棱镜高并输入全站仪.
（ 6）照准目标棱镜,按坐标测量键,全站仪开始测距并计算显示测点的三维坐标. (审稿：郭兰洲 )