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8距离测量

第八讲距离测量

一、光电测距原理

如图4-11所示，欲测定A、B两点间的距离D，可在A点安置能发射和接收光波的光电测距仪，在B点设置反射棱镜，光电测距仪发出的光束经棱镜反射后，又返回到测距仪。

通过测定光波在AB之间传播的时间t，根据光波在大气中的传播速度c，按下式计算距离D：

（4-11）

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=1000m，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。

二、光电测距仪及其使用方法

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（2500m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2500m，测距精度可达±（3mm+2×10-6×D）（其中D为所测距离）；最小读数为1mm；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。

3．仪器操作与使用

（1）安置仪器先在测站上安置好经纬仪，对中、整平后，将测距仪主机安装在经纬仪支架上，用连接器固定螺丝锁紧，将电池插入主机底部、扣紧。

在目标点安置反射棱镜，对中、整平，并使镜面朝向主机。

（2）观测垂直角、气温和气压用经纬仪十字横丝照准觇板中心，测出垂直角α。

同时，观测和记录温度和气压计上的读数。

观测垂直角、气温和气压，目的是对测距仪测量出的斜距进行倾斜改正、温度改正和气压改正，以得到正确的水平距离。

（3）测距准备按电源开关键“PWR”开机，主机自检并显示原设定的温度、气压和棱镜常数值，自检通过后将显示“good”。

若修正原设定值，可按“TPC”键后输入温度、气压值或棱镜常数（一般通过“ENT”键和数字键逐个输入）。

一般情况下，只要使用同一类的反光镜，棱镜常数不变，而温度、气压每次观测均可能不同，需要重新设定。

（4）距离测量调节主机照准轴水平调整手轮（或经纬仪水平微动螺旋）和主机俯仰微动螺旋，使测距仪望远镜精确瞄准棱镜中心。

在显示“good”状态下，精确瞄准也可根据蜂鸣器声音来判断，信号越强声音越大，上下左右微动测距仪，使蜂鸣器的声音最大，便完成了精确瞄准，出现“*”。

精确瞄准后，按“MSR”键，主机将测定并显示经温度、气压和棱镜常数改正后的斜距。

在测量中，若光速受挡或大气抖动等，测量将暂被中断，此时“*”消失，待光强正常后继续自动测量；若光束中断30秒，须光强恢复后，再按“MSR”键重测。

斜距到平距的改算，一般在现场用测距仪进行，方法是：

按“V／H”键后输入垂直角值，再按“SHV”键显示水平距离。

连续按“SHV”键可依次显示斜距、平距和高差。

三、光电测距的注意事项

（1）气象条件对光电测距影响较大，微风的阴天是观测的良好时机。

（2）测线应尽量离开地面障碍物1.3m以上，避免通过发热体和较宽水面的上空。

（3）测线应避开强电磁场干扰的地方，例如测线不宜接近变压器、高压线等。

（4）镜站的后面不应有反光镜和其他强光源等背景的干扰。

（5）要严防阳光及其他强光直射接收物镜，避免光线经镜头聚焦进入机内，将部分元件烧坏，阳光下作业应撑伞保护仪器。

四、全站仪简介

在电子经纬仪支架上可以加装红外测距仪，与电子手簿相结合，可组成全站仪，能同时显示和记录水平角、垂直角、水平距离、斜距、高差、点的坐标数值等。

大致测量过程如下：

（1）在测站点安置电子经纬仪；在电子经纬仪上连接安装光电测距仪；在目标点安置反光棱镜。

（2）用电子经纬仪瞄准反光棱镜的觇牌中心，操作键盘，在显示屏上显示水平角和垂直角。

（3）用光电测距仪瞄准反光棱镜中心，操作键盘，测量并输入测量时的温度、气压和棱镜常数，然后置入天顶距（即电子经纬仪所测垂直角），即可显示斜距、高差和水平距离。

（4）再输入测站点到照准点的坐标方位角及测站点的坐标和高程，即可显示照准点的坐标和高程。

另外，电子手簿中可储存上述数据，最后输入计算机进行数据处理和自动绘图。

近些年来，这种全站型电子速测仪已逐步被自动化程度更高、功能更强大的全站仪所取代。

其他测距方法

一、钢尺量距

1、钢尺一般量距

2、钢尺精确量距

3、皮尺量距

4、视距测量

二、距离测量精度评定

三、直线定向

确定地面上两点之间的相对位置，除了需要测定两点之间的水平距离外，还需确定两点所连直线的方向。

一条直线的方向，是根据某一标准方向来确定的。

确定直线与标准方向之间的关系，称为直线定向。

一、标准方向

1．真子午线方向

通过地球表面某点的真子午线的切线方向，称为该点的真子午线方向。

真子午线方向可用天文测量方法测定。

2．磁子午线方向

磁子午线方向是在地球磁场作用下，磁针在某点自由静止时其轴线所指的方向。

磁子午线方向可用罗盘仪测定。

3．坐标纵轴方向

在高斯平面直角坐标系中，坐标纵轴线方向就是地面点所在投影带的中央子午线方向。

在同一投影带内，各点的坐标纵轴线方向是彼此平行的。

二、方位角

测量工作中，常采用方位角表示直线的方向。

从直线起点的标准方向北端起，顺时针方向量至该直线的水平夹角，称为该直线的方位角。

方位角取值范围是0˚～360˚。

因标准方向有真子午线方向、磁子午线方向和坐标纵轴方向之分，对应的方位角分别称为真方位角（用A表示）、磁方位角（用Am表示）和坐标方位角（用α表示）。

三、三种方位角之间的关系

因标准方向选择的不同，使得一条直线有不同的方位角，如图4-19所示。

过1点的真北方向与磁北方向之间的夹角称为磁偏角，用δ表示。

过1点的真北方向与坐标纵轴北方向之间的夹角称为子午线收敛角，用γ表示。

δ和γ的符号规定相同：

当磁北方向或坐标纵轴北方向在真北方向东侧时，δ和γ的符号为“＋”；当磁北方向或坐标纵轴北方向在真北方向西侧时，δ和γ的符号为“－”。

同一直线的三种方位角之间的关系为：

（4-14）；

（4-15）；

（4-16）

四、坐标方位角的推算

1．正、反坐标方位角

如图4-20所示，以A为起点、B为终点的直线AB的坐标方位角αΑB，称为直线AB的坐标方位角。

而直线BA的坐标方位角αBA，称为直线AB的反坐标方位角。

由图4-20中可以看出正、反坐标方位角间的关系为：

（4-17）

2．坐标方位角的推算

在实际工作中并不需要测定每条直线的坐标方位角，而是通过与已知坐标方位角的直线连测后，推算出各直线的坐标方位角。

如图4-21所示，已知直线12的坐标方位角α12，观测了水平角β2和β3，要求推算直线23和直线34的坐标方位角。

由图4-21可以看出：

因β2在推算路线前进方向的右侧，该转折角称为右角；β3在左侧，称为左角。

从而可归纳出推算坐标方位角的一般公式为：

（4-18）

（4-19）

计算中，如果α前＞360˚，应自动减去360°；如果α前＜0˚，则自动加上360˚。

五、象限角

1．象限角

由坐标纵轴的北端或南端起，沿顺时针或逆时针方向量至直线的锐角，称为该直线的象限角，用R表示，其角值范围为0˚～90˚。

如图4-22所示，直线01、02、03和04的象限角分别为北东R01、南东R02、南西R03和北西R04。

2．坐标方位角与象限角的换算关系

由图4-23可以看出坐标方位角与象限角的换算关系：

在第Ⅰ象限，R=α在第Ⅱ象限，R=180°－α

在第Ⅲ象限，R=α－180°在第Ⅳ象限，R=360°－α

四、用罗盘仪测定磁方位角

在小测区建立独立的平面控制网时，可用罗盘仪测定直线的磁方位角，作为该控制网起始边的坐标方位角，将过起始点的磁子午线当作坐标纵轴线。

一、罗盘仪的构造

罗盘仪是测定磁方位角的仪器，其主要部件有：

磁针、望远镜和刻度盘等。

二、磁方位角的测定

用罗盘仪测定直线的磁方位角时，先将罗盘仪安置在直线的起点，对中、整平。

松开磁针固定螺丝放下磁针，再松开水平制动螺旋，转动仪器，用望远镜照准直线的另一端点所立标志，待磁针静止后，其北端所指的度盘读数，即为该直线的磁方位角（或磁象限角）。

罗盘仪使用时，应注意避免任何磁铁接近仪器，选择测站点应避开高压线，车间、铁栅栏等，以免产生局部吸引，影响磁针偏转，造成读数误差。

使用完毕，应立即固定磁针，以防顶针磨损和磁针脱落。