光电经纬仪原理

经纬仪的原理与使用

一．角度测量的原理及相关基本概念

角度测量包括水平角测量和竖直角测量，其中水平角测量是用于测量地面点的位置，竖直角测量是用于间接测定地面点的高程。

（一）水平角的测量原理

水平角概念：从一点到两目标的方向线垂直投影在水平面上所成的角，β。如书图3－1。

为了测定水平角β，那么可设想在过角顶B点上方安置一个水平度盘，水平度盘上面带有顺时针刻划、注记。我们可以在BA方向读一个数n，在BC方向读一个数m，那水平角β就等于m减n，用公式表示为

β＝右目标读数m－左目标读数n

水平角值为0～360°。

（二）竖直角的测量原理

竖直角概念：测站点到目标点的视线与水平线间的夹角，用α表示。如书图3－2：α为AB方向线的竖直角。其值从水平线算起，向上为正，称为仰角，范围是0°～90°；向下为负，称为俯角，范围为0°～－90°。

天顶距概念：视线与测站点天顶方向之间的夹角，图3－2中以Z表示，其数值为0°～180°，均为正值。与竖直角的关系：

α＝90°－Z

为了测定天顶角或竖直角，那我们同测水平角类似，在A点安置一个竖直度盘，同样是带有刻划和注记。这个竖直度盘随着望远镜上下转动，瞄准目标后则有一个读数，那此读数就为竖直角。

根据上述角度测量原理，研制出的能同时完成水平角和竖直角测量的仪器称为经纬仪。经纬仪按不同测角精度又分成多种等级，如DJ1、DJ2、 DJ6 、DJ10等。D、J为“大地测量”和“经纬仪”的汉语拼音第一个字母，数字表示该仪器测量精度。DJ6表示一测回方向观测中误差不超过±6″。工程中常用的精度有2″、6″和10″。

二．DJ6型光学经纬仪

（一）基本构造：照准部，水平度盘，基座

（二）读数方法：最常见的读数方法有分微尺法、单平板玻璃测微器法和对径符合读法。下面分别说明其构造原理及读数方法。

1．分微尺法

分微尺法也称带尺显微镜法，多用于DJ6级仪器。由于这种方法操作简单，不含隙动差，其应用日广。如国产的TDJ6，Leica T16等都采用这种方法。

光电测距仪根据测定时间t的方式，分为直接测定时间的脉冲测距法和间接测定时间的相位测距法。高精度的测距仪，一般采用相位式。

相位式光电测距仪的测距原理是：由光源发出的光通过调制器后，成为光强随高频信号变化的调制光。通过测量调制光在待测距离上往返传播的相位差φ来解算距离。

相位法测距相当于用“光尺”代替钢尺量距，而λ/2为光尺长度。

相位式测距仪中，相位计只能测出相位差的尾数ΔN，测不出整周期数N，因此对大于光尺的距离无法测定。为了扩大测程，应选择较长的光尺。为了解决扩大测程与保证精度的矛盾，短程测距仪上一般采用两个调制频率，即两种光尺。例如：长光尺（称为粗尺）f1=150kHz，λ1/2=1 000m，用于扩大测程，测定百米、十米和米；短光尺（称为精尺）f2=15MHz，λ2/2=10m，用于保证精度，测定米、分米、厘米和毫米。

光电测距仪结构

1．仪器结构

主机通过连接器安置在经纬仪上部，经纬仪可以是普通光学经纬仪，也可以是电子经纬仪。利用光轴调节螺旋，可使主机的发射——接受器光轴与经纬仪视准轴位于同一竖直面内。另外，测距仪横轴到经纬仪横轴的高度与觇牌中心到反射棱镜高度一致，从而使经纬仪瞄准觇牌中心的视线与测距仪瞄准反射棱镜中心的视线保持平行，

配合主机测距的反射棱镜，根据距离远近，可选用单棱镜（1500m内）或三棱镜（2 500m内），棱镜安置在三脚架上，根据光学对中器和长水准管进行对中整平。

2．仪器主要技术指标及功能

短程红外光电测距仪的最大测程为2 500m，测距精度可达±（3mm+2×10-6×D）（其中D为所测距离）；最小读数为1 mm；仪器设有自动光强调节装置，在复杂环境下测量时也可人工调节光强；可输入温度、气压和棱镜常数自动对结果进行改正；可输入垂直角自动计算出水平距离和高差；可通过距离预置进行定线放样；若输入测站坐标和高程，可自动计算观测点的坐标和高程。测距方式有正常测量和跟踪测量，其中正常测量所需时间为3s，还能显示数次测量的平均值；跟踪测量所需时间为0.8s，每隔一定时间间隔自动重复测距。

第四章 经纬仪及其使用

教学目的：

1．掌握角度测量的原理和方法；

2．掌握光学经纬仪的构造和读盘读数方法；

3．了解经纬仪的检验和校正方法；

教学重点：

1．经纬仪的对中、整平、读数；

2．角度测量的原理、角度的数据计算；

3．各种误差对测角的影响；

教学难点：

1．难点主要是经纬仪的检验和校正；

2．经纬仪的读数；

教学资料：园林测量教材、教学课件

教学方法：讲授法、讲解法、实训操作

讲授新课

第一节 光学经纬仪的构造

经纬仪分为：光学经纬仪和电子经纬仪；光学经纬仪：是利用几何光学的放大、反射、折射等原理进行读盘读数；电子经纬仪：是利用物理光学、电子学和光电转换等原理显示读盘读数，是近代电子技术高度发展的产物之一；

经纬仪精度：DJ1，DJ2，DJ6等级别，D—“大地测量”，J—“经纬仪”，1，2，6表示经纬仪一测回方向观测中误差的秒数；

一、光学经纬的构造

经纬仪包括：基座、照准部、水平度盘

（一）、照准部部分：具有的构件：平盘水准管、光学对中器、支架、横轴、垂直度盘、望远镜、度盘读数镜；简述

（二）、度盘部分：包括：垂直度盘和水平度盘；简述

（三）、基座部分：基座上有三个脚螺旋，用来整平仪器，调平仪器的步骤：先根据基座上的圆水准器粗平，然后根据照准部上的平盘水准管精平，而且基座底板中心有连接螺旋孔；简述

二、读盘读数装置及读数方法

1、测微尺读数装置：参考P64页

2、平行玻璃测微器读数装置：参考P65页

三、经纬仪的使用

一、经纬仪的安置：包括对中和整平

1、对中：目的：是要把仪器的纵轴安置到测站得铅垂线上；分为：用垂球对中和用光学对中器对中；具体的步骤参见P66页；原理图：

2、整平：目的：是使经纬仪的纵轴铅垂，从而使水平度盘和横轴处于水平位置，垂直度盘位于铅垂面内；具体步骤见P66页；

二、目标点上的照准标志及瞄准方法：进行角度测量时，地面的目标点必须设立照准标志，才能进行瞄准。

光电经纬仪姿态测量精度室内检测方法

摘要：光电经纬仪的姿态测量精度是指光电经纬仪在规定的加速度运动状态下，对运动目标的实时测量值与目标空间方向真值的差值，是衡量光电经纬仪测量精度的重要技术指标之一。本文通过理论分析，为光电经纬仪的姿态测量精度提供了一种室内测量方法。

关键词：光电经纬仪姿态测量精度；室内检测方法

光电经纬仪是经纬仪与光电探测装置相结合的产物。它是一种对运动目标参数（位置、速度等）进行自动跟踪和实时测量，同时记录运动目标姿态的光电测量装置。目前光电经纬仪确定目标最常用的方法是姿态测量法，因此研究光电经纬仪对目标姿态的测量精度具有十分重要的意义。

一、光电经纬仪姿态测量工作原理

光电经纬仪机架为3轴（垂直轴、水平轴、视准轴）地平装置。框架3的轴相互垂直，水平轴和准直轴可以围绕垂直轴在水平面内旋转。光电检测装置安装在水平轴上，其主光轴为准直轴，与水平轴垂直，可绕水平轴在垂直面内旋转。垂直轴和水平轴分别装有轴角编码器。当视觉轴绕垂直轴旋转时，垂直轴编码器读出的角度称为方位角，当视觉轴绕水平轴旋转时，水平轴编码器读出的角度称为俯仰角。这样，只要准直轴对准目标，就可以得到光轴指向目标的方位角和俯仰角。为了保证精密检测的可靠性，在检测系统中采用了传统的T型架，采用水平光管和大角度平行光管。检测系统主要包括T型架、水平平行光管、大角度平行光管、隔离型地环、高精度T4经纬仪、高精度水准仪和经纬仪。将被测经纬仪放在测量基座上，调整到水平管和大角度管同时测量的位置，然后将经纬仪调平（要求调平精度小于1角秒），调平后用被测经纬仪测量水平光管和大角度光管经纬仪，并通过测量后的数据处理，在摇摆状态下进行小角度干扰测量，使大角度平行光管的星点目标在测量架上记录相对运动轨迹。通过图像存储，记录星点目标的运动轨迹，通过后处理得到一组大角度光管的动态测量值。根据光电经纬仪等摄像测量设备拍摄的目标数字图像，利用图像处理技术，确定目标图像的二维中心轴，即被测目标中心轴在目标表面上的投影。目标图像的二维中心轴和相机系统的光学中心只决定一个空间平面，被测目标的中心轴必须在这个平面上。两台光电经纬仪可获得两个空间平面。这两个平面相交于一条空间直线，这条直线是被测物体的空间中心轴。通过得到被测物体的中心轴方程，可以方便地得到被测物体的俯仰角和偏航角。如果用多台经纬仪测量，可以得到多个平面。由于测量误差，这些平面可能不相交于同一直线。在这种情况下，目标姿态角可以用加权平均法确定。