全站儀的結(jié)構(gòu)和工作原理

1、 全站儀的結(jié)構(gòu)和工作原理目錄第一節(jié) 全站儀概述第二節(jié) 全站儀的發(fā)展現(xiàn)狀與前景第三節(jié) 第三節(jié) 電子經(jīng)緯儀第四節(jié) 電磁波測距儀第五節(jié) 全站儀的操作第六節(jié) 全站儀的檢定和檢驗第七節(jié) 全站儀的使用與維護(hù)第一節(jié) 全站儀概述 一、 全站儀概述全站儀，即全站型電子速測儀（Electronic Total Station）。是一種集光、機(jī)械、電子部件為一體的高技術(shù)測量儀器，是集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)。因其一次安置儀器就可完成該測站上全部測量工作，所以稱之為全站儀。 因全站儀具有多功能、高效率的特性，目前幾乎可以用在所有的測量領(lǐng)域。全站儀是人們在角度測量自動化的過程

2、中應(yīng)用而生的，各類電子經(jīng)緯儀在各種測繪作業(yè)中起著巨大的作用。 全站儀的發(fā)展經(jīng)歷了從組合式即光電測距儀與光學(xué)經(jīng)緯儀組合，或光電測距儀與電子經(jīng)緯儀組合，到整體式即將光電測距儀的光波發(fā)射接收系統(tǒng)的光軸和經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸組合為同軸的整體式全站儀等幾個階段。最初速測儀的距離測量是通過光學(xué)方法來實現(xiàn)的，我們稱這種速測儀為“光學(xué)速測儀”。實際上，“光學(xué)速測儀”就是指帶有視距絲的經(jīng)緯儀，被測點的平面位置由方向測量與光學(xué)視距來確定，而高程則是用三角測量方法來確定的。 帶有“視距絲”的光學(xué)速測儀，由于其快速、簡易，而在短距離（100米以）、低精度 （1/200(1/500）的測量中，如碎部點測定中，有其優(yōu)勢，得到了

3、廣泛的應(yīng)用。 隨著電子測距技術(shù)的出現(xiàn)，大推動了速測儀的發(fā)展。用電磁波測距儀代替光學(xué)視距經(jīng)緯儀，使得測程更大、測量時間更短、精度更高。人們將距離由電磁波測距儀測定的速測儀籠統(tǒng)地稱之為“電子速測儀”（Electronic Tachymeter）。隨著電子測角技術(shù)的出現(xiàn)。 這一“電子速測儀”的概念又相應(yīng)地發(fā)生了變化，根據(jù)測角方法的不同分為半站型電子速測儀和全站型電子速測儀。半站型電子速測儀是指用光學(xué)方法測角的電子速測儀，也有稱之為“測距經(jīng)緯儀”。這種速測儀出現(xiàn)較早，并且進(jìn)行了不斷的改進(jìn)，可將光學(xué)角度讀數(shù)通過鍵盤輸入到測距儀，對斜距進(jìn)行化算，最后得出平距、高差、方向角和坐標(biāo)差，這些結(jié)果都可自動地傳輸?shù)?/p>

4、外部存儲器中。全站型電子速測儀則是由電子測角、電子測距、電子計算和數(shù)據(jù)存儲單元等組成的三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)，測量結(jié)果能自動顯示，并能與外圍設(shè)備交換信息的多功能測量儀器。由于全站型電子速測儀較完善地實現(xiàn)了測量和處理過程的電子化和一體化，所以人們也通常稱之為全站型電子速測儀或簡稱全站儀。近年來，隨著微電子技術(shù)、電子計算技術(shù)、電子記錄技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，全世界眾多測繪儀器制造廠家不斷推出各種型號的全站儀，以滿足各類用戶各種用途的需要。特別是新一代的智能型全站儀，不僅測量速度快、精度高，還置有微處理器和存儲器，以與功能強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件和豐富多彩應(yīng)用程序，可實現(xiàn)設(shè)計、計算、放樣等許多高級功能，將全站儀的

5、發(fā)展推向了一個嶄新的階段。二、 全站儀的分類全站儀采用了光電掃描測角系統(tǒng)，其類型主要有：編碼盤測角系統(tǒng)、光柵盤測角系統(tǒng)與動態(tài)（光柵盤）測角系統(tǒng)等三種。全站儀按結(jié)構(gòu)組成分為組合式（Modular）全站儀（測距單元與電子經(jīng)緯儀既可組合又可分離，兩者通過專用的電纜和接口裝置連接）和整體式（Integrated）全站儀（測角、測距和微處理器單元與儀器的光學(xué)、機(jī)械系統(tǒng)融為一體不可分離，且經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸和測距儀的發(fā)射軸、接收軸三軸共線。 全站儀按功能分為普通全站儀（能夠測角、測距和計算坐標(biāo)、高差）、智能型全站儀（具有置或可擴(kuò)充的系統(tǒng)軟件和工具軟件，具有自動安平和補(bǔ)償設(shè)備）、自動跟蹤式全站儀等。最近十余年來

6、，隨著制造工藝、微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，世界上各個主要測量儀器制造廠商出產(chǎn)的全站儀大都屬于新一代的集成式智能型全站儀。三、全站儀的應(yīng)用全站儀的應(yīng)用圍已不僅局限于測繪工程、建筑工程、交通與水利工程、地籍與房地產(chǎn)測量，而且在大型工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和構(gòu)件的安裝調(diào)試、船體設(shè)計施工、大橋水壩的變形觀 測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與體育競技等領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。全站儀的應(yīng)用具有以下特點： 1.在地形測量過程中，可以將控制測量和地形測量同時進(jìn)行。 2.在施工放樣測量中，可以將設(shè)計好的管線、道路、工程建筑的位置測設(shè)到地面上，實現(xiàn)三維坐標(biāo)快速施工放樣。3.在變形觀測中，可以對建筑（構(gòu)筑）物的變形、地質(zhì)災(zāi)害等進(jìn)行實時動態(tài)

7、監(jiān)測。 4.在控制測量中，導(dǎo)線測量、前方交會、后方交會等程序功能，操作簡單、速度快、精度高；其他程序測量功能方便、實用且應(yīng)用廣泛。5.在同一個測站點，可以完成全部測量的基本容，包括角度測量、距離測量、高差測量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和傳輸。6.通過傳輸設(shè)備，可以將全站儀與計算機(jī)、繪圖機(jī)相連，形成外一體的測繪系統(tǒng)，從而大大提高地形圖測繪的質(zhì)量和效率。四、現(xiàn)代全站儀的特性和功能新一代的集成式智能型全站儀一般具有下列特性和功能： 1.電子水準(zhǔn)器、激光對點器使整平、對中更為簡便； 2.友好的用戶界面可指導(dǎo)和提示作業(yè)人員應(yīng)進(jìn)行的操作； 3.強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件能自動進(jìn)行儀器調(diào)校、參數(shù)設(shè)置、氣象改正等； 4.豐富的應(yīng)用

8、軟件可實現(xiàn)面積計算、導(dǎo)線測量、交會測量、道路放樣等復(fù)雜操作流程和數(shù)據(jù)處理； 5.三軸補(bǔ)償器可自動測定豎軸誤差、橫軸誤差和視準(zhǔn)軸誤差并加以改正，提高了半測回測角精度； 6.動態(tài)電子測角系統(tǒng)可自動消除度盤偏心誤差和分劃誤差的影響，而無需在測回間配置水平度盤； 7.通過主機(jī)或電子記錄器上的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可實現(xiàn)全站儀與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，從而使得測量數(shù)據(jù)的采集、處理與繪圖等實現(xiàn)無縫連接，形成外業(yè)一體化的高效率測量系統(tǒng)。五、全站儀的基本組成與結(jié)構(gòu)1. 全站儀的基本組成全站儀幾乎可以用在所有的測量領(lǐng)域。電子全站儀由電源部分、測角系統(tǒng)、測距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理部分、通訊接口、與顯示屏、鍵盤等組成。它本身就是一個

9、帶有特殊功能的計算機(jī)控制系統(tǒng)，其微機(jī)處理裝置由微處理器、存儲器、輸入部分和輸出部分組成。由微處理器對獲取的傾斜距離、水平角、豎直角、垂直軸傾斜誤差、視準(zhǔn)軸誤差、垂直度盤指標(biāo)差、棱鏡常數(shù)、氣溫、氣壓等信息加以處理，從而獲得各項改正后的觀測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)。在儀器的只讀存儲器中固化了測量程序，測量過程由程序完成。儀器的設(shè)計框架如圖8-1所示。圖8-1 全站儀設(shè)計框架其中：(1)電源部分是可充電電池，為各部分供電； (2)測角部分為電子經(jīng)緯儀，可以測定水平角、豎直角，設(shè)置方位角； (3)補(bǔ)償部分可以實現(xiàn)儀器垂直軸傾斜誤差對水平、垂直角度測量影響的自動補(bǔ)償改正；(4)測距部分為光電測距儀，可以測定兩點之

10、間的距離； (5)中央處理器接受輸入指令、控制各種觀測作業(yè)方式、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等； (6)輸入、輸出包括鍵盤、顯示屏、雙向數(shù)據(jù)通訊接口。 從總體上看，全站儀的組成可分為兩大部分：一是為采集數(shù)據(jù)而設(shè)置的專用設(shè)備，主要有電子測角系統(tǒng)、電子測距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、自動補(bǔ)償設(shè)備等。二是測量過程的控制設(shè)備，主要用于有序地實現(xiàn)上述每一專用設(shè)備的功能，包括與測量數(shù)據(jù)相連接的外圍設(shè)備與進(jìn)行計算、產(chǎn)生指令的微處理機(jī)等。 只有上面兩大部分有機(jī)結(jié)合才能真正地體現(xiàn)“全站”功能，既要自動完成數(shù)據(jù)采集，又要自動處理數(shù)據(jù)和控制整個測量過程。2.全站儀的基本結(jié)構(gòu)全站儀按其結(jié)構(gòu)可分為組合式（積木式）與整體式兩種。(1)組合式全站

11、儀組合式全站儀由測距頭、光學(xué)經(jīng)緯儀與電子計算部分拼裝組合而成。這種全站儀的出現(xiàn)較早，經(jīng)不斷地改進(jìn)可將光學(xué)角度讀數(shù)通過鍵盤輸入到測距儀并對傾斜距離進(jìn)行計算處理，最后得出平面距離、高差、方位角和坐標(biāo)差，這些結(jié)果可自動地傳輸?shù)酵獠看鎯ζ髦?，后來發(fā)展為把測距頭、電子經(jīng)緯儀與電子計算部分拼裝組合在一起。其優(yōu)點是能通過不同的構(gòu)件進(jìn)行多樣組合，當(dāng)個別構(gòu)件損壞時，可以用其他構(gòu)件代替，具有很強(qiáng)的靈活性。早期的全站儀都采用這種結(jié)構(gòu)。如圖8-2是日本索佳公司生產(chǎn)的REDmini短程測距儀，儀器測程為O.8km。測距儀的支座下有插孔與制緊螺旋，可使測距儀牢固地安裝在經(jīng)緯儀的支架上方。旋緊測距儀支架上的豎直制動螺旋后，

12、可調(diào)節(jié)微動螺旋使測距儀在豎直面俯仰轉(zhuǎn)動。測距儀發(fā)射接收鏡的目鏡有十字絲分劃板，用以瞄準(zhǔn)反射棱鏡。圖8-2 組合式全站儀圖8-3是組合式單塊反射棱鏡，當(dāng)測程大于300m時，可換裝三塊棱鏡。圖8-3 組合式單塊棱鏡此外，測距儀橫軸到經(jīng)緯儀橫軸的高度與艦牌中心到反射棱鏡中心的高度一致，從而使經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)視牌中心的視線與測距儀瞄準(zhǔn)反射棱鏡中心的視線保持平行（見圖8-4）。圖8-4 儀器站與棱鏡站裝配示意圖(2)整體式全站儀整體式全站儀是在一個機(jī)器外殼含有電子測距、測角、補(bǔ)償、記錄、計算、存儲等部分。將發(fā)射、接收、瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計成同軸，共用一個望遠(yuǎn)鏡（見圖8-5），角度和距離測量只需一次瞄準(zhǔn)，測量結(jié)果能

13、自動顯示并能與外圍設(shè)備雙向通訊。其優(yōu)點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、精度高，近期的全站儀都采用整體式結(jié)構(gòu)。整體式全站儀配套使用棱鏡對中桿與支架，如果儀器有水平方向和豎直方向同軸雙速制動與微動手輪，瞄準(zhǔn)操作只需單手進(jìn)行，更適合移動目標(biāo)的跟蹤測量與空間點三維坐標(biāo)測量，操作更方便，應(yīng)用更廣泛。圖8-5整體式全站儀望眼鏡的光路六、電腦全站儀的主要特點電腦全站儀亦稱智能型全站儀，具有雙軸傾斜補(bǔ)償器，雙邊主、附顯示器，雙向傳輸通訊，大容量的存或磁卡與電子記錄簿兩種記錄方式以與豐富的機(jī)軟件，因而測量速度快、觀測精度高、操作簡便、適用面寬、性能穩(wěn)定，深受廣大測繪技術(shù)人員的歡迎，成為1993年以來的全站儀主流發(fā)

14、展方向。電腦全站儀的主要特點如下： 1.電腦操作系統(tǒng)電腦全站儀具有像通常PC機(jī)一樣的DOS操作系統(tǒng)。 2.大屏幕顯示可顯示數(shù)字、文字、圖像，也可顯示電子氣泡居中情況，以提高儀器安置的速度與精度，并采用人機(jī)對話式控制面板。3.大容量的存一般存在1M以上，其中主存有640K、數(shù)據(jù)存320K、程序存512K、擴(kuò)展存512K。4.采用國際計算機(jī)通用磁卡。所有測量信息都可以文件形式記入磁卡或電子記錄簿，磁卡采用無觸點感應(yīng)式，可以長期保留數(shù)據(jù)。5.自動補(bǔ)償功能補(bǔ)償器裝有雙軸傾斜傳感器，能直接檢測出儀器的垂直軸，在視準(zhǔn)軸方向和橫軸方向上的傾斜量，經(jīng)儀器處理計算出改正值并對垂直方向和水平方向值加以改正，提高測

15、角精度。6.測距時間快，耗電量少。第二節(jié) 全站儀的發(fā)展現(xiàn)狀與前景全站儀作為最常用的測量儀器之一，它的發(fā)展改變著我們的測量作業(yè)方式，極提高了生產(chǎn)的效率。雖然GPS技術(shù)在測量領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，但在測繪領(lǐng)域中全站儀依然發(fā)揮著極其重要的作用，因為它有著GPS接收機(jī)所不具備的一些優(yōu)點。如不需對天通視，選點和布點靈活，特別適用于帶狀地形與隱蔽地區(qū)，觀測數(shù)據(jù)直觀，數(shù)據(jù)處理簡單，操作方便，精度高等。全站儀早期的發(fā)展主要體現(xiàn)在硬件設(shè)備上，如減輕質(zhì)量、減小體積等；中期的發(fā)展主要體現(xiàn)在軟件功能上，如水平距離換算、自動補(bǔ)償改正、加常數(shù)乘常數(shù)的改正等；現(xiàn)今的發(fā)展則是全方位的，如全自動、智能型。因此，全站儀的發(fā)展現(xiàn)狀與前景

16、正朝著全自動、多功能、開放性、智能型、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，它將在地形測量、工程測量、工業(yè)測量、建筑施工測量和變形觀測等領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。一、全站儀的發(fā)展隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用以與用戶的特殊要求與其它工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，全站儀出現(xiàn)了一個新的發(fā)展時期，出現(xiàn)了帶存、防水型、防爆型、電腦型等等的全站儀。目前，世界上最高精度的全站儀：測角精度（一測回方向標(biāo)準(zhǔn)偏差）0.52，測距精度1mm+1ppm。利用ATR功能，白天和黑夜（無需照明）都可以工作。全站儀已經(jīng)達(dá)到令人不可致信的角度和距離測量精度，既可人工操作也可自動操作，既可遠(yuǎn)距離遙控運(yùn)行也可在機(jī)載應(yīng)用程序控制下使用?？v觀全站儀的發(fā)展，有些是儀

17、器加工制造與傳統(tǒng)理論的進(jìn)化，有些是其他技術(shù)的進(jìn)步所帶來的變化，而有些則是思想觀念的更新。綜合全站儀的發(fā)展具有如下幾個特點。 1.儀器的系統(tǒng)性全站儀從20世紀(jì)60年代末開始出現(xiàn)即顯示了其系統(tǒng)性。如德國ZEISS廠的RegElta-14和瑞典AGA廠的Geodimeter700全站儀，它們都配有記錄、打印的外圍設(shè)備，因此全站儀都配有供數(shù)據(jù)輸出的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行端口。目前這個標(biāo)準(zhǔn)串口的開發(fā)應(yīng)用，不僅能將數(shù)據(jù)從儀器傳輸?shù)接涗浧?、電子記錄簿或電子平板中，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向流動；而且能夠?qū)?shù)據(jù)或程序從計算機(jī)輸入到儀器中，以便對儀器的軟件進(jìn)行更新，甚至通過計算機(jī)和儀器的連接，將儀器作為終端由計算機(jī)中的程

18、序?qū)x器進(jìn)行實時控制操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向流動。此時全站儀已不再是一臺單一的測繪儀器，它和計算機(jī)、軟件甚至一些通訊設(shè)備（如、 機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等）一起，組成了一個智能型的測繪系統(tǒng)。 2.雙軸自動補(bǔ)償改正儀器誤差對測角精度的影響，主要是由儀器的三軸之間關(guān)系不正確造成的。在光學(xué)經(jīng)緯儀中主要是通過對三軸之間關(guān)系的檢驗校正，減少儀器誤差對測角精度的影響；在電子儀器中則主要是通過所謂“自動補(bǔ)償”實現(xiàn)的。最新的全站儀已實現(xiàn)了“三軸”補(bǔ)償功能（補(bǔ)償器的有效工作圍一般為±3´），即全站儀中安裝的補(bǔ)償器，自動檢測或改正由于儀器垂直軸傾斜而引起的測角誤差；通過儀器視準(zhǔn)軸誤差和橫軸誤差的檢測結(jié)果計算

19、出誤差值，必要時由儀器置程序?qū)λ^測的角度加以改正。 3.實時自動跟蹤、處理和接收計算機(jī)控制新式結(jié)構(gòu)的全站儀，儀器中都安裝有驅(qū)動儀器水平方向360º、望遠(yuǎn)鏡豎直方向360º。旋轉(zhuǎn)的伺服馬達(dá)，用這種類型的全站儀可以實現(xiàn)無人值守觀測、自動放樣、自動檢測三軸誤差、自動尋找和跟蹤目標(biāo)。因此，在變形觀測、動態(tài)定位與在一些對人體有害的環(huán)境中應(yīng)用，將具有無可比擬的優(yōu)越性。4.操作方便，功能性強(qiáng)全站儀的發(fā)展使得它操作方便，功能性強(qiáng)。由于儀器中的操作菜單往往使用的是英文描述，于是操作便顯得復(fù)雜起來。全站儀處理這一問題時是用象形符號或助記符號幫助理解或使用類似于Windows風(fēng)格的界面提供聯(lián)機(jī)

20、幫助。事實上，提供中文菜單并不是沒有可能。由于全站儀所使用的是液晶顯示屏，因此用何種文字顯示并沒有太多的區(qū)別（有些儀器即提供了好幾種不同語言的操作菜單，如英文、日文、法文、德文等），盡管中文占用的點陣行數(shù)會多一些，但“滾動條”的使用可解決這個問題。全站儀全中文菜單的出現(xiàn)將是一件并不遙遠(yuǎn)的事。5.置程序增多和標(biāo)準(zhǔn)化近年來，全站儀發(fā)展的一個極其重要的特征是置程序的增多和標(biāo)準(zhǔn)化。置程序能夠?qū)崟r提供觀測過程并計算出最終結(jié)果。觀測者只要能夠按儀器中設(shè)定的功能，操作步驟正確就能完成測量工作，而不含程序的全站儀則只能提供觀測值和觀測值的計算值。也就是說，通過程序?qū)I(yè)計算的工作直接在外業(yè)中完成，程序的執(zhí)行過程

21、實際上也就是儀器操作的執(zhí)行過程。目前，各廠家儀器都具備有置程序的功能，比較實用的程序有度盤定向、放樣測量、坐標(biāo)測量等。6.開放性環(huán)境，用戶可二次開發(fā)功能開放性環(huán)境最大的特點是它具有足夠的包容性和靈活性，在不同的場合中能夠適應(yīng)不同的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，開放環(huán)境的要求已經(jīng)遍與整個開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域。過去用戶只能被動地接收全站儀所提供的功能，若遇到一些特殊要求的工作，用戶只能采用一些變通的方法，不能主動地去指揮儀器工作。而在開放環(huán)境的條件下，用戶就可以參與到儀器功能的二次開發(fā)中，從而使用戶真正地成為儀器的“頭腦”，使儀器按照人的意愿去進(jìn)行工作。7.儀器的兼容性和標(biāo)準(zhǔn)化考慮到用戶的利益，兼容性是必須

22、的。兼容的基礎(chǔ)是在計算機(jī)領(lǐng)域由IBM公司首先完成，從而使計算機(jī)得以飛速發(fā)展。在全站儀領(lǐng)域，用戶已經(jīng)體會到了不兼容的弊端，如所購的一套儀器，使用了若干年后，如果其中一個關(guān)鍵部件的損壞或技術(shù)的更新，由于設(shè)備之間的不兼容，使這套儀器配置中的其他配件也不能為別的儀器所利用，那么用戶只能將其整個淘汰。目前各廠家的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備都向PCM-CIA卡靠攏，但這僅僅是在兼容性方面邁出的小小一步?？紤]到全站儀是一種特殊行業(yè)使用的特殊儀器與各廠家自身的利益，兼容性還僅僅只能停留在設(shè)想上。8.實現(xiàn)數(shù)據(jù)共事能力由于對儀器實時作業(yè)的要求，“業(yè)”的“外業(yè)化”便顯得十分必要。過去從外業(yè)到業(yè)再到外業(yè)的工作過程，將被一次性的外業(yè)

23、工作所替代，而這種效率的提高，需要以儀器間數(shù)據(jù)的共享為基礎(chǔ)。這種數(shù)據(jù)共享主要是指全站儀和其他類型的儀器（如GPS接收機(jī)、數(shù)字水準(zhǔn)儀）之間的數(shù)據(jù)交流。通過不同儀器之間的數(shù)據(jù)交流，從而減少業(yè)、外業(yè)之間的銜接，提高測量工作的自動化水平。9.高精度精度是全站儀最重要的參數(shù)之一，現(xiàn)行精度最高的全站儀，測角精度±0.5"，測距精度±(lmm+1ppmD)。高精度儀器的出現(xiàn)，解決了一系列精密工程測量方面的問題，但現(xiàn)實測量工程中有時也需要更高精度的儀器，以降低精密測量的難度和工作量，這是用戶的要求，也是技術(shù)發(fā)展的要求。二、全站儀軟件包的發(fā)展20世紀(jì)90年代推出的全站儀所配置的測量

24、與定位軟件，已由過去少量的特殊功能發(fā)展到迄今的功能齊全、實用、操作簡便的測量軟件包，使得全站儀測量技術(shù)更加廣泛地應(yīng)用于控制測量、施工放樣測量、地形測量和地籍測量等領(lǐng)域。 1.全站儀測量軟件包的發(fā)展現(xiàn)狀隨著市場產(chǎn)銷競爭日趨激烈，全站儀測量軟件包的發(fā)展也在不斷地更新?，F(xiàn)代新型全站儀測量配置的軟件包普遍向多功能化方向發(fā)展，歸納起來具有如下功能：(1)菜單功能。各公司目前新近推出的全站儀軟件包大都采用了菜單功能。利用菜單功能和配置的操作提示，可以在提高儀器操作功能的同時簡化鍵盤操作。(2)基本測量功能。包括電子測距、電子測角（水平角、垂直角），經(jīng)微處理器可實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、成果計算、數(shù)據(jù)傳輸與基本參數(shù)設(shè)置

25、等。主要用于測繪的基本測量工作，包括控制測量、地形測量和工程放樣施工測量等。特別注意的是只要開機(jī)，電子測角系統(tǒng)即開始，工作并實時顯示觀測數(shù)據(jù)。(3)程序測量功能。包括水平距離和高差的切換顯示、三維坐標(biāo)測量、對邊測量、放樣測量、偏心測量、后方交會測量、面積計算等。特別注意的是程序測量功能只是測距與數(shù)據(jù)處理，它是通過預(yù)置程序由觀測數(shù)據(jù)經(jīng)微處理器數(shù)據(jù)處理、計算后顯示所需要的測量結(jié)果，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與雙向通信。(4)用戶開發(fā)系統(tǒng)。為了便于用戶自行開發(fā)新的功能，滿足某些特殊測量工作的需要，全站儀具有用戶開發(fā)系統(tǒng)。目前，全站儀一般都裝有標(biāo)準(zhǔn)的MS-DOS操作系統(tǒng)，用戶可在PC機(jī)上開發(fā)各種測量應(yīng)用程序，以擴(kuò)

26、充全站儀的功能。2.國全站儀軟件包開發(fā)狀況我國電子測量儀器的研制與生產(chǎn)雖然起步較晚，但發(fā)展較快。20世紀(jì)80年代初國產(chǎn)光電測距儀投放市場。90年代研制生產(chǎn)光電子經(jīng)緯儀，南方公司生產(chǎn)的我國第一臺NTS-200系列全站儀，打破了國外廠家壟斷我國全站儀市場的局面，隨后其他儀器廠家也相繼地推出了自己的全站儀。這說明我國已基本具備生產(chǎn)全站儀的能力，而且全站儀精度也能滿足實際需要，價格僅是國外全站儀的1/3。從這些全站儀目前所配備的軟件來看，它們具有以下特點：(1)軟件包一般配備有按我國測繪生產(chǎn)組織方式和國家測繪規(guī)要求的應(yīng)用程序。(2)軟件包功能齊全。如南方測繪儀器公司的NTS-200系列全站儀，能夠提供

27、平均測量、放樣測量、懸高測量、間接測量、坐標(biāo)測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，它們在實現(xiàn)數(shù)字化測圖中起著重要的作用。(3)用戶界面文字化，便于我國用戶操作。如第一光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的DQZ2全站儀具有寬屏幕點陣圖形，其軟件包的用戶界面全部采用漢字顯示。(4)軟件包數(shù)據(jù)采集和計算處理一體化，形成的各種坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件可通過格式轉(zhuǎn)換與各種繪圖軟件接口，實現(xiàn)自動繪圖。(5)多種測量方法供用戶選擇，使全站儀能廣泛地應(yīng)用于控制測量、工程測量和工程放樣施工等領(lǐng)域。由此看來，從硬件到軟件，實現(xiàn)全站儀國產(chǎn)化已具備了技術(shù)條件。3.全站儀軟件包的未來發(fā)展趨勢由于近代電子技術(shù)高速發(fā)展，測量儀器不斷地更新?lián)Q代，滿足了各種各樣的用途和精度

28、的需要，新型全站儀正朝著自動化、多功能化、一體化的方向更新和發(fā)展。為了充分發(fā)揮全站儀的功效，國外廠家都在進(jìn)一步地研究與開發(fā)全站儀軟件包。從目前的情況來看，全站儀軟件包將向著以下方面發(fā)展： (1)由基于DOS編程的Windows編程發(fā)展，軟件包功能強(qiáng)大，界面更豐富多彩。(2)通過格式轉(zhuǎn)換和各種繪圖軟件接口，實現(xiàn)自動繪圖。(3)隨著液晶顯示技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來全站儀顯示屏不僅能顯示字符，而且還能顯示圖形，全站儀軟件包能現(xiàn)場實時繪制工作草圖，使數(shù)據(jù)自動采集與輔助測圖同時進(jìn)行行，成為未來野外測量作業(yè)的先進(jìn)作業(yè)方式。(4)全站儀作為、外作業(yè)聯(lián)系的重要部分，建立綜合測量系統(tǒng)，已成為開發(fā)全站儀軟件包的延續(xù)

29、。如：索佳測繪公司的“綜合測繪系統(tǒng)”、徠卡公司的“開放式測量世界”、南方測繪公司的“CASS南方外業(yè)一體化成圖軟件”、光學(xué)儀器廠的“BGSS”綜合測繪系統(tǒng)等。因此，綜合測量系統(tǒng)將是今后測量工作的發(fā)展趨勢。這種系統(tǒng)把全站儀通過相關(guān)軟件系統(tǒng)和計算機(jī)、打印機(jī)、繪圖機(jī)、數(shù)字化儀等設(shè)備聯(lián)為一體，將大大有利于實現(xiàn)地形測量、地籍測量、工程測量與變形觀測等工作的自動化。第三節(jié) 電子經(jīng)緯儀一、電子經(jīng)緯儀的特點電子經(jīng)緯儀是一種集光學(xué)、機(jī)械、電子技術(shù)于一體的測角儀器。它既可以設(shè)計成一臺完整的儀器和電子測距儀連接成積木型全站儀，也可以設(shè)計成電子經(jīng)緯儀單元，與電子測距儀單元有機(jī)結(jié)合在一起構(gòu)成不可分割的整體式全站儀。但不

30、管是哪種形式，它都可以獨(dú)立工作。相對于傳統(tǒng)的光學(xué)經(jīng)緯儀來說，現(xiàn)代的電子經(jīng)緯儀具有如下優(yōu)點： 1.對中光學(xué)經(jīng)緯儀的對中采用垂球或光學(xué)對中器，而如今越來越多的電子經(jīng)緯儀采用激光對中器，使用起來非常直觀。2.整平光學(xué)經(jīng)緯儀的精密整平使用長水準(zhǔn)器，整平過程需要花費(fèi)較長時間；而如今越來越多的電子經(jīng)緯儀采用電子氣泡，用數(shù)字或圖形直接顯示垂直軸傾斜量，使用起來非常直觀、方便。3.讀數(shù)光學(xué)經(jīng)緯儀的讀數(shù)必須借助專門的讀數(shù)窗，需要人工調(diào)焦、調(diào)像進(jìn)行對徑讀數(shù)、估讀，掌握起來比較困難，且非常容易出錯；而電子經(jīng)緯儀的水平角、垂直角讀數(shù)自動顯示，一般最小顯示為l´，有的可達(dá)0.1´，因而沒有讀數(shù)誤差。

31、4.記錄光學(xué)經(jīng)緯儀的讀數(shù)需要用筆記錄手簿，并由人工來進(jìn)行質(zhì)量控制，對作業(yè)人員的素質(zhì)要求較高；而電子經(jīng)緯儀的讀數(shù)可直接存儲到PCMCIA卡或外接記錄器，并可由系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量控制。5.補(bǔ)償器光學(xué)經(jīng)緯儀采用機(jī)械補(bǔ)償器，只能對垂直角進(jìn)行補(bǔ)償；而如今越來越多的電子經(jīng)緯儀采用電子液體補(bǔ)償器，不僅對垂直角進(jìn)行補(bǔ)償，而且可對水平角進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償圍更大，精度更高，除此之外，補(bǔ)償器零點可以通過軟件調(diào)整，免除了機(jī)械調(diào)整的麻煩。6.軸系調(diào)整光學(xué)經(jīng)緯儀的軸系誤差，只能進(jìn)行機(jī)械調(diào)整來消除，而這些調(diào)整往往要送到專業(yè)維修單位進(jìn)行；而如今越來越多的電子經(jīng)緯儀除了機(jī)械調(diào)整之外，還可以通過軟件設(shè)置進(jìn)行修正，使修正后的殘余誤差幾乎為零

32、，而這些調(diào)整除送專業(yè)維修單位之外，也可以由用戶自行操作。二、電子測角的原理電子測角，即電子化、數(shù)字化、自動化角度測量，其表現(xiàn)是直接以數(shù)字顯示角度測量結(jié)果，其實質(zhì)是用一套角碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)讀數(shù)系統(tǒng)，也就是采用了光電度盤，將度盤的角值符號變成能被光電器件識別和接收的特定信號，然后再轉(zhuǎn)換成常規(guī)的角值，從而實現(xiàn)了讀數(shù)記錄的數(shù)字化和自動化。角值和光電信號的轉(zhuǎn)換，大體分為兩類：一類是把度盤分成區(qū)、環(huán)進(jìn)行編碼，稱為編碼度盤，它直接把角度轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼，所以稱絕對轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；另一類是利用光柵度盤把單位角度轉(zhuǎn)換成脈沖信號，然后用計算機(jī)累積變化的脈沖數(shù)，求得相應(yīng)的角度值，稱為增量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。三、補(bǔ)償器與電

33、子氣泡（一）補(bǔ)償器1.補(bǔ)償器的產(chǎn)生 在角度測量中，經(jīng)緯儀的垂直軸、水平軸和視準(zhǔn)軸的不正確安裝或整置往往是諸多誤差源中最重要的因素。為了減弱或消除三軸誤差對角度測量的影響，人們常常采用一定的測量程序，如盤左、盤右分別測量取平均，但是這個過程比較麻煩且很容易出現(xiàn)操作上的錯誤。而在許多工程放樣中，對作業(yè)進(jìn)度的要求比較高，對測量精度的要求相對低些，例如在石油物探的物理點放樣中，一方面對施工作業(yè)的進(jìn)度要求，另一方面只需進(jìn)行盤左或盤右半測回測量就能夠滿足精度要求，這就要求確保經(jīng)緯儀的安置正確無誤。另外，如今來執(zhí)行測量任務(wù)的作業(yè)人員，許多沒有經(jīng)過系統(tǒng)的測量技術(shù)培訓(xùn)，這就要求儀器生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品盡可能地自動

34、減少軸系誤差的影響。補(bǔ)償器就是為了這個目的應(yīng)運(yùn)而生的。補(bǔ)償器的作用就是通過尋找儀器在垂直和水平方向的傾斜信息，自動地對測量值進(jìn)行改正，從而提高采集數(shù)據(jù)的精度。2.補(bǔ)償器的類型 補(bǔ)償器按工作原理一般分為兩種類型：擺式補(bǔ)償器和液體補(bǔ)償器。擺式補(bǔ)償器多見于早期的電子經(jīng)緯儀。其基本原理是：當(dāng)儀器傾斜時，引起垂直度盤指標(biāo)隨之位移，而同時也將引起擺的微小擺動，并通過光路引起垂直度盤影像的相應(yīng)變化，因而，最終輸出的角度為正確的角度。液體補(bǔ)償器為現(xiàn)代大多數(shù)全站儀所普遍采用。其基本原理是：當(dāng)儀器傾斜時，傾斜傳感器液體光模導(dǎo)致光束的隨之位移，并將位移量感應(yīng)在陣列上，全站儀的微處理器根據(jù)位移的大小計算儀器的傾斜量與

35、由傾斜引起的改正數(shù)，并提供給角度輸出系統(tǒng)。補(bǔ)償器按補(bǔ)償功能一般分為單軸補(bǔ)償、雙軸補(bǔ)償和三軸補(bǔ)償。單軸補(bǔ)償：僅能補(bǔ)償由于垂直軸傾斜而引起的垂直度盤的讀數(shù)誤差。雙軸補(bǔ)償：可同時補(bǔ)償由于垂直軸傾斜而引起的垂直度盤和水平度盤的讀數(shù)誤差。三軸補(bǔ)償：不僅能補(bǔ)償由于垂直軸傾斜而引起的垂直度盤和水平度盤的讀數(shù)誤差，而且還能補(bǔ)償由于水平軸誤差和視準(zhǔn)軸誤差而引起的水平度盤的讀數(shù)誤差。3.補(bǔ)償器的補(bǔ)償圍 補(bǔ)償器的補(bǔ)償圍是指補(bǔ)償器正常工作所能接受的儀器傾斜程度，即當(dāng)儀器的傾斜量在補(bǔ)償圍時，補(bǔ)償器將測量縱向和橫向傾斜量，進(jìn)而計算對垂直度盤和水平度盤讀數(shù)的影響并加以改正；當(dāng)儀器的傾斜量超出補(bǔ)償圍時，補(bǔ)償器將停止工作。補(bǔ)償

36、器的補(bǔ)償圍總是有限度的，市場上大多數(shù)全站儀的補(bǔ)償圍一般在3´5´左右。較大的補(bǔ)償圍使用戶增加了在惡劣環(huán)境下（如地基松軟地帶或地基振動地帶）作業(yè)仍取得可靠結(jié)果的信心。4.補(bǔ)償器的補(bǔ)償精度 補(bǔ)償器的補(bǔ)償精度有兩種含義：一種是傾斜量測定精度，是指補(bǔ)償器對傾斜度的測量精度，在用戶手冊上給出的補(bǔ)償精度通常都是傾斜量測定精度；一種是垂直角修正精度，是指在儀器標(biāo)稱補(bǔ)償圍進(jìn)行有效修正后的垂直角值與儀器處于正確位置時的垂直角值的偏差，在檢定證書中給出的補(bǔ)償精度通常都是垂直角修正精度。（二）電子氣泡新型的全站儀大都裝備有電子氣泡。電子氣泡是補(bǔ)償器的顯示單元，它直接顯示儀器的傾斜狀態(tài)。電子氣泡的

37、形式有兩種，一種是數(shù)字型，直接顯示儀器在縱向（X）和橫向（Y）的傾斜值，當(dāng)二者都為零時，儀器為整平狀態(tài)；一種是圖形型，常常用一個圓點在大圓圈中的位置來表示，當(dāng)小圓點位于大圓圈的圓心時，儀器為整平狀態(tài)。在儀器工作過程中，儀器的傾斜狀態(tài)通過電子氣泡顯示出來，而這種狀態(tài)對垂直度盤和水平度盤讀數(shù)的影響，則通過補(bǔ)償器有關(guān)電路來進(jìn)行改正。在實際測量作業(yè)時，可以利用電子氣泡進(jìn)行快速整平（只需整平到補(bǔ)償圍）或精確整平。儀器允許用戶對整平后的殘余傾斜量進(jìn)行補(bǔ)償或不進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)傾斜量被自動地用來改正水平角和垂直角時，即使盤左或盤右半測回測量，也能夠獲得比較滿意的精度，特別是當(dāng)垂直角較大時自動補(bǔ)償對精度的改善更為明

38、顯。（三）三軸補(bǔ)償老式的單軸補(bǔ)償器只能補(bǔ)償由垂直軸傾斜引起的垂直度盤讀數(shù)誤差，雙軸補(bǔ)償器則可同時補(bǔ)償由垂直軸傾斜而引起的垂直度盤和水平度盤讀數(shù)誤差；近年來推出的三軸補(bǔ)償器，不僅能補(bǔ)償由垂直軸傾斜而引起的垂直度盤和水平度盤讀數(shù)誤差，而且還能補(bǔ)償由于水平軸傾斜和視準(zhǔn)軸誤差而引起的水平度盤的讀數(shù)誤差。在三軸補(bǔ)償狀態(tài)下，引起水平度盤讀數(shù)變化的因素（即用以修正水平度盤讀數(shù)的因素）增加到3個。以下對三軸補(bǔ)償?shù)脑碜龊唵谓榻B。1.雙軸補(bǔ)償 垂直軸傾斜將引起對中誤差、水平角誤差和垂直角誤差。由垂直軸傾斜導(dǎo)致的對中誤差一般可以忽略（1´的傾斜量只會使望遠(yuǎn)鏡中心偏離儀器旋轉(zhuǎn)中心0.05mm的位移），由垂

39、直軸傾斜引起的水平角誤差和垂直角誤差不能用盤左、盤右的措施消除。在雙軸補(bǔ)償中，將垂直軸傾斜分解為縱向傾斜和橫向傾斜兩個分量。所謂縱向傾斜，是指垂直軸傾斜在視準(zhǔn)軸與鉛垂線平面的分量。縱向傾斜將引起垂直角的誤差。所謂單軸補(bǔ)償實質(zhì)上就是對縱向傾斜所導(dǎo)致的垂直角誤差施加改正。所謂橫向傾斜，是指垂直軸傾斜在水平軸與鉛垂線平面的分量。橫向傾斜影響水平角的測量。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡水平瞄準(zhǔn)時，橫向傾斜對水平度盤沒有影響。但望遠(yuǎn)鏡傾斜瞄準(zhǔn)時，對水平度盤的影響將隨著望遠(yuǎn)鏡傾斜的增加而明顯增加（如望遠(yuǎn)鏡傾斜45°時，1´橫向傾斜引起l´的水平角誤差）。所謂雙軸補(bǔ)償實質(zhì)上就是對縱向傾斜所導(dǎo)致的垂直

40、角誤差和橫向傾斜所引起的水平角誤差均施加改正。例如，在照準(zhǔn)部固定的情況下，使望遠(yuǎn)鏡上下仰俯，對單軸補(bǔ)償來說，水平度盤讀數(shù)保持不變，而對雙軸補(bǔ)償來說，水平度盤讀數(shù)可能在不斷變化，這正是對橫向傾斜引起的水平度盤讀數(shù)誤差進(jìn)行修正。2.水平軸誤差 水平軸誤差，又稱為橫軸誤差，一般用表示，是指其由于制造、安裝和調(diào)整不完善致使水平軸兩端的直徑不等或支承水平軸的兩個支架不等高引起的水平軸傾斜誤差。由于儀器存在著水平軸誤差，當(dāng)儀器整平時，垂直軸垂直，而水平軸不水平，這將會引起水平方向的觀測誤差。若令為水平軸傾斜誤差對水平方向觀測讀數(shù)的影響，則有： （8-1）顯然，的大小不僅與角的大小成正比，而且還與目標(biāo)點的垂

41、直角有關(guān)。3.視準(zhǔn)軸誤差 視準(zhǔn)軸誤差，又稱為照準(zhǔn)誤差，一般用表示，是指由于安裝和調(diào)整不當(dāng)致使望遠(yuǎn)鏡的十字絲中心偏離正確位置，導(dǎo)致視準(zhǔn)軸與水平軸不正交而引起的誤差。它是一個固定值；外界溫度的變化也會引起視準(zhǔn)軸位置的變化，這個變化則不是一個固定值。若令為視準(zhǔn)軸誤差對水平方向觀測讀數(shù)的影響，則有： （8-2） 顯然，視準(zhǔn)軸誤差對水平方向讀數(shù)的影響不僅與視準(zhǔn)軸誤差成正比，而且也與目標(biāo)點的垂直角有關(guān)。當(dāng)垂直角為0°時，即視準(zhǔn)軸誤差與它所引起的水平方向讀數(shù)誤差是一樣的。此時可通過盤左、盤右的觀測值之差來求得，即：。4.三軸補(bǔ)償?shù)幕舅枷?三軸補(bǔ)償?shù)幕舅枷胧牵秒p軸補(bǔ)償?shù)姆椒▉硌a(bǔ)償垂直軸傾斜引起

42、的垂直和水平度盤的讀數(shù)誤差，用機(jī)計算軟件來改正因橫軸誤差和視準(zhǔn)軸誤差引起的水平讀數(shù)誤差。對于單軸補(bǔ)償?shù)睦鲜饺緝x來說，沒有上述三種改正功能，人們看到無論怎么轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，水平讀數(shù)都不變化，這并不是因為儀器穩(wěn)定可靠，其實是因為儀器沒有能力進(jìn)行這方面的改正。對于僅有雙軸補(bǔ)償器的全站儀來說，只能改正垂直軸傾斜引起的垂直和水平讀數(shù)誤差，因此，當(dāng)補(bǔ)償器工作時，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，水平讀數(shù)就隨之變化；當(dāng)補(bǔ)償器關(guān)閉以后，無論如何轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，水平讀數(shù)也不會變化。四、儀器的設(shè)置為了使全站儀方便地用于不同的測量用途，經(jīng)常要對儀器工作的方式、條件等進(jìn)行選擇確認(rèn)，這項工作稱為儀器設(shè)置。全站儀本身就是一臺專用計算機(jī)，在它的系統(tǒng)軟

43、件里，預(yù)置了許多測量中可能會用到的功能、參數(shù)等，用戶可以隨心所欲地選擇適合自己需要的設(shè)置。一般來說，全站儀的設(shè)置分為以下幾種。1.功能設(shè)置 全站儀提供了許多功能，根據(jù)用戶的不同要求，這些功能有的使用頻繁，有的則可能永遠(yuǎn)也不會使用。例如，所有的全站儀都設(shè)計有軸系補(bǔ)償?shù)墓δ埽脩艨梢酝ㄟ^設(shè)置選擇單軸補(bǔ)償，也可以選擇雙軸補(bǔ)償，也可以選擇不要補(bǔ)償。一般關(guān)于功能的設(shè)置有：關(guān)機(jī)設(shè)置、音響設(shè)置、照明設(shè)置、補(bǔ)償器開關(guān)、菜單項增減、ppm參數(shù)項的增減等。2.模板設(shè)置 模板設(shè)置主要確定外業(yè)測量所采集的數(shù)據(jù)以什么樣的形式通過顯示屏或數(shù)據(jù)文件等媒介表現(xiàn)出來。例如，全站儀采集的基本量為角度和斜距，而通過這兩個量又可派生

44、出許多量，如平距、坐標(biāo)等。由于屏幕的大小有限，只能將測量員最關(guān)心的幾項數(shù)據(jù)直接顯示出來，其他數(shù)據(jù)通過箭頭的移動再逐項顯示。這就需要進(jìn)行模板設(shè)置。一方面，系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)模板，即將最常用的量組成幾個不同的模板，供用戶選擇；另一方面，也允許由用戶自己就感興趣的重組成用戶模板。以TPS1000為例，一般常用的模板設(shè)置有： (1)顯示模板（Display Mask），即如何安排屏幕上實時顯示的項目容；(2)記錄模板（Record Mask），即如何安排記錄卡上數(shù)據(jù)記錄的順序和容。3.單位設(shè)置 為了面向不同用戶，適應(yīng)不同用途的要求，全站儀提供了多種計量單位供選擇。一般常用的單位設(shè)置如下： (1)長度單位與小

45、數(shù)位置； (2)角度單位與小數(shù)位置； (3)溫度單位； (4)氣壓單位。4.參數(shù)設(shè)置 參數(shù)設(shè)置是全站儀與計算機(jī)通信中的一個重要容。在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，全站儀的通信參數(shù)與計算機(jī)的通信參數(shù)應(yīng)該一致。一般常用的參數(shù)設(shè)置項如下： (1)波特率； (2)數(shù)據(jù)位； (3)停止位； (4)校驗方式； (5)接口協(xié)議。第四節(jié) 電磁波測距儀一、電磁波測距儀概述1.電磁波測距儀的概念 電磁波測距儀，也稱為電子測距儀，是利用電磁波（微波、激光或紅外光等）運(yùn)載測距信號，通過直接或間接測定電磁波在兩點間往返一次的傳播時間，從而根據(jù)已知的電磁波傳播速度求得兩點間的距離的一類儀器的統(tǒng)稱。它既可以設(shè)計成一臺完整的儀器，也可以設(shè)計成

46、一個獨(dú)立的單元附加到經(jīng)緯儀上，形成半站儀或全站儀，還可以設(shè)計成與電子經(jīng)緯儀有機(jī)結(jié)合在一起，構(gòu)成不可分割的整體式全站儀。2.電磁波測距儀的分類 電磁波測距儀按所用測距方式的不同分為脈沖式測距儀、相位式測距儀等；按所采用載波的不同分為微波測距儀和光電測距儀，光電測距儀又因光源和電子部件的改進(jìn)發(fā)展成為激光測距儀和紅外測距儀。所謂微波測距儀，是指利用微波作為載波的光電測距儀。所謂紅外測距儀，是指采用紅外光作為光源的光電測距儀。通常利用砷化鎵發(fā)光二極管發(fā)射中心波長為0.720.94m的近紅外光作為光源。具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點。測程一般在110km，測距精度一般在520mm。所謂激光測距儀，是以

47、激光為光源的測距儀器的統(tǒng)稱。其分為脈沖式激光測距儀（激光工作于脈沖狀態(tài)）、相位式激光測距儀（以連續(xù)波激光為載波）。廣義上，還包括以砷化鎵發(fā)光二極管（屬于非相干態(tài)激光光源）作為光源的紅外測距儀。但一般理解，激光測距儀特指相位式激光測距儀，通常采用氦氖激光器，測程可達(dá)4Okm，測距精度可達(dá)±(5mm+10ppm)。3.電磁波測距儀的測程 電磁波測距儀的測程，即電磁波測距儀所能測得的最遠(yuǎn)距離。一般稱小于3km為短程，315km為中程，大于15km為遠(yuǎn)程。儀器制造廠家所標(biāo)稱的最大測程的確認(rèn)，一般首先要經(jīng)過嚴(yán)格試驗，得出儀器達(dá)到某一測程所需要的發(fā)射功率，然后通過專用的功率計檢測發(fā)射光的功率，確

48、認(rèn)相應(yīng)的最大測程。國家法定計量檢定單位對全站儀最大測程的確認(rèn)，往往是在野外測量基線上進(jìn)行的。在保證測距精度的前提下，充分考慮氣象條件、實測最遠(yuǎn)距離和儀器顯示信號的強(qiáng)度，從而估算出儀器標(biāo)稱的最大測程是否能夠得到滿足。電磁波測距儀所標(biāo)稱的最大測程，在實際作業(yè)中一般是很難達(dá)到的。二、電磁波測距原理（一）電磁波的基本知識根據(jù)電磁場的理論，電和磁是緊密聯(lián)系著的兩種運(yùn)動形式，變化的電場能夠在它的周圍激起磁場的變化，同樣，變化的磁場也能夠在它的周圍激起電場的變化。所謂電磁波，就是交互變化的電磁場在空間傳播的過程，它本質(zhì)上是一種客觀存在的物質(zhì)和能量傳輸形式。射線、X射線三紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波

49、都是電磁波，它們的本質(zhì)完全相同，只是頻率和波長不同而已。1.正弦波 電磁波的振動方式是多種多樣的，其中最簡單、最基本的是正弦波。表達(dá)正弦波的要素主要有周期、頻率、波長等?？梢赃@樣來理解正弦波：設(shè)有一矢量OA以角速度逆時針方向旋轉(zhuǎn)，若以橫軸表示時間，將各個時刻矢量OA在縱軸方向的分量以連續(xù)曲線的形式表示出來，就形成一條正弦曲線。顯然，矢量OA的旋轉(zhuǎn)每經(jīng)過(360º）旋轉(zhuǎn)一周，即正弦波每經(jīng)過(360º)重復(fù)一次。（1）周期、頻率。正弦波的波形重復(fù)出現(xiàn)一次所用的時間稱為周期，單位為秒()，用T表示；單位時間(1)旋轉(zhuǎn)的周數(shù)稱為頻率，單位為赫茲（Hz），用表示。周期和頻率互為倒數(shù)，

50、即： 或 （8-3）（2）波長。電磁波在一個周期（在真空中）所傳播的距離稱為波長，用表示；波長與頻率、周期有以下關(guān)系： 或 （8-4）（3）相位。正弦波在某一時刻的狀態(tài)（即矢量OA的瞬間位置），稱為相位。一般用某一時刻矢量。A與時間軸的夾角為表示（稱為相位角），單位為弧度（rad）。相位與角速度、頻率有以下關(guān)系： （8-5）設(shè)以某一時刻為初始時刻，則該時刻的相位角稱為初相角，用表示；則正弦波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （8-6）2.載波與調(diào)制波 所謂調(diào)制，就是使某一電磁波信號的某種參數(shù)（如振幅、頻率、相位等）隨著另一電磁波信號的變化規(guī)律而變化的過程。前者稱為載波，它就像運(yùn)載工具；后者稱為調(diào)制信號，是需要

51、傳送“貨物”。在電磁波測距中，作為光源的光波是波長很短、頻率非常高的電磁波，直接用來測距非常困難，所以需要采用一個具有較低頻率的測距信號，但較低頻率的信號又不便于定向傳送。為了傳送測距信號，通常用其作為調(diào)制信號，對等幅高頻振蕩的載波（如微波、激光、紅外線等）進(jìn)行調(diào)制（即改變其振幅、頻率或相位），經(jīng)過調(diào)制后的信號就載有需要傳送的測距信號。調(diào)制的方式有兩種：一種是調(diào)幅，即調(diào)制對象是振幅，另一種是調(diào)頻，即調(diào)制的對象是頻率。在電磁波測距中常用調(diào)幅或調(diào)頻兩種方式，當(dāng)載波為光波時，這一調(diào)制過程稱為“光調(diào)制”，如激光測距儀中對激光的調(diào)幅，就是對激光的亮度進(jìn)行調(diào)制；當(dāng)載波為高頻電振蕩時，這一調(diào)制過程稱為“電調(diào)

52、制”，如微波測距儀中對微波的調(diào)制。（二）電磁波測距基本原理電磁波測距的基本原理，是利用電磁波在空氣中傳播的速度為已知這一特性，通過測定電磁波在待測距離上往返傳播的時間，來間接求得待測距離。只要測出電磁波在待測距離上往返傳播的時間，即可計算出待測距離。電磁波在待測距離上傳播所經(jīng)歷的時間既可以直接測定，也可以間接測定。但是，通過直接測定時間來求取距離的方法實現(xiàn)起來非常困難。例如，要想獲得±3mm的測距精度，就需要達(dá)到±2×l0-11s的測時精度，這樣高的測時精度在實踐上往往是達(dá)不到的。因而，人們又根據(jù)上述測距原理提出了許多改進(jìn)的測距方法。在實際的電磁波測距儀中，主要利

53、用脈沖法測距和相位法測距，其中最常用的為相位法測距。三、測距的標(biāo)稱精度測距儀或全站儀的測距部分的標(biāo)稱精度指標(biāo)，一般均表達(dá)為±（A+B·D）的形式，顯然，該精度表達(dá)形式由以下兩部分組成： A代表固定誤差，單位符號為mm，一般在15mm之間。它主要由儀器加常數(shù)的測定誤差、對中誤差、測相誤差等引起。固定誤差與所測距離的長短無關(guān)，即無論所測距離的長短，儀器總是存在著一個不大于該值的固定誤差。B、D，代表比例誤差（B為比例誤差系數(shù)，D為所測距離）。它主要由儀器乘常數(shù)的測定誤差、儀器頻率誤差、大氣折射率誤差引起。其中B的單位符號為ppm（Part Per Million），是百萬分之一

54、（即10 -6）的意思，它不是我國法定計量單位，而是人們對這一數(shù)學(xué)現(xiàn)象的習(xí)慣叫法，它廣泛地出現(xiàn)在國外有關(guān)技術(shù)資料上。B的數(shù)值由生產(chǎn)廠家在用戶手冊里給定，一般在15ppm之間。D的單位符號為km，即1×106mm，它的數(shù)值是一個變數(shù)，即用戶實際測量的距離；比例誤差中真正體現(xiàn)精度指標(biāo)的是比例誤差系數(shù)“ppm”。固定誤差與比例誤差絕對值之和，再冠以“±”，即構(gòu)成全站儀測距部分的精度指標(biāo)。如某全站儀測距標(biāo)稱精度為±（2mm+2ppm×D）。當(dāng)被測距離為lkm時，儀器測距標(biāo)稱精度為±（2mm +2mm），即最大測距誤差不大于3mm；當(dāng)被測距離為2km時，

55、儀器測距精度則為（2mm+4mm），即最大測距誤差將不大于4.5mm。特別需要指出的是，不能把儀器的標(biāo)稱精度當(dāng)作儀器的實際精度。全站儀的標(biāo)稱精度指標(biāo)是一種誤差限差的概念，也就是說，全站儀的實際測距誤差不得超過生產(chǎn)廠家提供的標(biāo)稱精度指標(biāo)。有的儀器實際誤差接近于這個限差，有的儀器實際誤差遠(yuǎn)小于這個限差。四、測距的氣象改正 在電磁波測距原理中，我們將電磁波在空氣中傳播的速度當(dāng)作常數(shù)，而實際上，電磁波在空氣中傳播的速度與電磁波頻率和大氣密度等密切相關(guān)，因此，在利用測距儀和全站儀進(jìn)行測距時，必須進(jìn)行氣象改正，即通過測量作業(yè)現(xiàn)場的溫度T（Temperature）、氣壓P（Pressure）以與濕度H（Hu

56、midity，該項僅在高精度測量中），按照一定的氣象改正公式，求出氣象改正比例系數(shù)（ppm）以與距離改正數(shù)。氣象改正一般是在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。為了便于用戶的使用，生產(chǎn)廠家一般都是選定與儀器作業(yè)現(xiàn)場的氣象條件比較接近的參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)氣象條件。在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下，儀器的氣象改正ppm值為零。如徠卡全站儀選定T=12，p=101.325MPa（700mmHg），H=60%作為標(biāo)準(zhǔn)氣象條件，此時的氣象改正值ppm=0。也有的廠家標(biāo)準(zhǔn)溫度T選定為15（如托普康）或20（如捷創(chuàng)力），但氣壓P一般都選定為101.325kPa。在實際作業(yè)時，現(xiàn)場的氣象條件一般會與標(biāo)準(zhǔn)氣象條件有所不同，通常所說的氣象改正

57、就是指對相對于標(biāo)準(zhǔn)氣象條件變化而進(jìn)行的改正?？梢宰C明，在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件的基礎(chǔ)上，當(dāng)溫度每變化1或氣壓每變化0.34kPa時，將會產(chǎn)生約1ppm的改正值。例如，當(dāng)環(huán)境溫度為10時，徠卡全站儀氣象改正值為-2ppm。在全站儀的使用手冊中，一般都提供了進(jìn)行氣象改正的方法，主要有以下三種： 1.根據(jù)氣象改正圖表，由用戶查?。?2.提供氣象改正公式，由用戶自己算出（每個廠家提供的公式可能會略有不同）； 3.用戶直接輸入溫度T、氣壓P，由全站儀自動算出（新型全站儀一般都有此功能）。五、測距儀的加、乘常數(shù)（一）加常數(shù)全站儀或紅外測距儀的機(jī)械對中點與光路棱鏡等效反射面不一致所引起的距離改正數(shù)，稱為儀器常數(shù)，通常用表示。另外，反射棱鏡的機(jī)械對中點與光路棱鏡等效反射面不一致所引起的距離改正數(shù)，稱為棱鏡常數(shù)，通常用表示。習(xí)慣上，往往將儀器常數(shù)和棱鏡常數(shù)綜合在一起，統(tǒng)稱為加常數(shù)。加常數(shù)的作用是用于改正由此引起的測距系統(tǒng)誤差。每臺儀器和棱鏡均存在著加常數(shù)，只是大小不同而已。一般大的有十幾個毫米，小的則有零點幾毫米，甚至可以忽略不計。用戶可根據(jù)測量任務(wù)對精度的要求，來決定是否在數(shù)據(jù)處理