室內(nèi)虛擬直線基線的研究

潘嘉聲，黃 穌，張 勇

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東　廣州　510405）

室內(nèi)虛擬直線基線的研究

潘嘉聲，黃 穌，張 勇

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東廣州510405）

研究了一種室內(nèi)虛擬直線基線，提出了虛擬直線基線裝置建立的原理及采用全站儀進(jìn)行標(biāo)定的溯源方法，分析了基線裝置的不確定度來源，虛擬直線基線為100 m的距離，估算擴(kuò)展不確定度U=1.4 mm（k=2）。通過采用該基線裝置實(shí)際檢測手持式激光測距儀，驗(yàn)證了虛擬直線基線的可靠性。

計(jì)量學(xué)；虛擬直線基線；激光測距儀；不確定度

1　引言

根據(jù)檢定規(guī)程JJG966-2010，對于100 m的手持式激光測距儀（簡稱“激光測距儀”）的檢定，最小受檢點(diǎn)為13個(gè)，采用的標(biāo)準(zhǔn)器為標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺和室外標(biāo)準(zhǔn)基線［1］。針對實(shí)際工作中，檢定激光測距儀存在勞動強(qiáng)度大、檢定成本高等問題，研制了一套室內(nèi)虛擬直線基線檢定裝置（簡稱“基線裝置”）。經(jīng)試驗(yàn)和驗(yàn)證比對，基線裝置的主要指標(biāo)達(dá)到了檢定激光測距儀技術(shù)要求。

2　基本原理

基線裝置主要部件由兩反射面相向豎立且平行的兩反射鏡體組成，其工作原理圖見圖1。工作時(shí)激光測距儀從a點(diǎn)發(fā)出測距激光，光束在左右鏡面間往返反射若干次，最后到達(dá)b點(diǎn)，被安置在該點(diǎn)的反射棱鏡反射后沿原路回到激光測距儀中，實(shí)現(xiàn)測距［2］。由于多次反射的標(biāo)準(zhǔn)距離僅與激光的入射角和兩平行鏡的初始距離有關(guān)，而且與入射角的角度成對應(yīng)關(guān)系。通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制不同的入射角獲得激光不同的反射次數(shù)，即可得到虛擬直線基線不同的標(biāo)準(zhǔn)距離，再用激光測距儀的測距讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)距離做比較，從而獲得激光測距儀的測距誤差。

圖1　工作原理圖

激光束在兩鏡面間共反射n次時(shí)，根據(jù)光路反射定理，計(jì)算光束從a點(diǎn)到b點(diǎn)行進(jìn)的虛擬基線標(biāo)準(zhǔn)距離為：

式中：A為測距儀到左鏡面的垂直距離；B為反射棱鏡中心到右鏡面的垂直距離；D0為反射面間的初始距離；I0為光束反射n次時(shí)的入射角。

3　基線裝置組成及D0的獲取

基線裝置安裝在地下恒溫室中，環(huán)境溫度控制在（20±1）℃。兩反射鏡的反射率大于99％，厚度為5 mm，反射表面的平面度小于0.005 mm，采用螺釘壓緊在兩豎立的大理石板上。兩大理石板的底座的傾角均可調(diào)節(jié)，采用自準(zhǔn)直儀監(jiān)控，調(diào)整兩反射鏡的平行度誤差在10″以內(nèi)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝了角度誤差不大于5″高精度編碼器，激光測距儀由定位機(jī)構(gòu)固定，基線裝置的示意圖如圖2所示。

圖2　虛擬直線基線裝置示意圖

利用Ⅰ級全站儀采用差分法來測量D0，根據(jù)式（1），反射次數(shù)n=i時(shí)，則有：

式中：Li和Ii分別為光束反射i次時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)長度和入射角。

同理，當(dāng)n=i+m次時(shí)，則有：

將式（3）與式（2）相減，得到初始距離關(guān)系式：

設(shè)定A=0.187 m，B=0.008 6 m。精確調(diào)整入射角度，使反射次數(shù)分別為2至12次，代入式（4）計(jì)算各反射次數(shù)所對應(yīng)的D0、各反射距離和（對應(yīng)10倍到1倍的初始距離），見表1。求得所有反射距離的總和為272.844 41 m（共計(jì)55倍的初始距離），則平均值獲得初始距離D0=4.960 8 m。

表1　初始距離計(jì)算表

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及不確定度分析

4.1實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

用DISTO TM D5激光測距儀進(jìn)行裝置可靠性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測距儀的讀數(shù)值與虛擬直線基線的標(biāo)準(zhǔn)距離值列于表2。根據(jù)激光測距儀檢定規(guī)程，0級準(zhǔn)確度的測距儀最大允許誤差為±（1.5 mm+5 ×10-5L，L為測距值，下同），從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出該激光測距儀符合0級準(zhǔn)確度的技術(shù)要求。

表2　L值和激光測距儀讀數(shù)值對應(yīng)表

實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件：溫度為19.9℃～20.1℃；相對濕度為45.9％～47.3％；大氣壓為101.2～101.4 kPa。求虛擬直線基線的標(biāo)準(zhǔn)距離L時(shí)，采用的計(jì)算常數(shù)分別為A=0.183 51 m、B=0.008 6 m、D0= 4.960 8 m。

為了進(jìn)行比較，該激光測距儀又按檢定規(guī)程JJG966-2010的方法進(jìn)行了檢定。兩種方法所得誤差的最大差值均出現(xiàn)在測量距離為85 m處，兩者相差0.5 mm。考慮兩種測量方法均存在不超過1.5 mm的測量不確定度，根據(jù)文獻(xiàn)［3］，采用的室內(nèi)虛擬直線基線裝置可以對激光測距儀進(jìn)行檢定。

4.2不確定度分析

采用該室內(nèi)虛擬直線基線裝置來檢定激光測距儀時(shí)，測量不確定度主要來源有：室內(nèi)虛擬直線基線裝置的標(biāo)定不確定度、兩反射鏡平面的平行度、反射鏡的平面度。

虛擬直線基線是采用Ⅰ級全站儀來標(biāo)定的，全站儀的測距最大允許誤差為±（1.0 mm+1×10-6L），按均勻分布處理，則該項(xiàng)引入的不確定度分量為（0.58 mm+0.58×10-6L），虛擬直線基線為100 m的距離，該項(xiàng)不確定度為0.64 mm。根據(jù)文獻(xiàn)［4］兩反射鏡平面的平行度在初始距離上引入的極限誤差不超過±0.05 mm，按均勻分布處理，虛擬直線基線為100 m的距離，引入的不確定度分量為0.29 mm。采用坐標(biāo)測量機(jī)檢測每塊反射鏡的平面度不超過0.005 mm，引入的不確定度0.003 mm，該項(xiàng)在虛擬直線基線為100 m時(shí)，不確定度分量估算為0.03 mm。合成以上各分量［5］，虛擬直線基線為100 m，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.70 mm，取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度U=1.4 mm。

5　結(jié)論

室內(nèi)虛擬直線基線裝置經(jīng)理論分析和Ⅰ級全站儀驗(yàn)證比對，其準(zhǔn)確度和可靠性達(dá)到檢定手持式激光測距儀的要求。如采用更高準(zhǔn)確度的測距儀器（如激光跟蹤儀）［6］來標(biāo)定兩平行鏡的距離，可提高該裝置的測距可靠性。如初始距離增加到50 m后，可在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)長度達(dá)1 km以上的虛擬直線基線，為各類測距儀器開辟新的檢定手段。

［1］JJG966—2010手持式激光測距儀檢定規(guī)程［S］，2010.

［2］黃穌.建立室內(nèi)虛擬長度基線場的可行性探討［J］.計(jì)測技術(shù)，2006，26（4）：22-25.

［3］JJF 1033—2008計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范［S］，2008.

［4］黃穌.平行度誤差與虛擬基線場的構(gòu)建［J］.計(jì)測技術(shù)，2008，28（1）：12-13.

［5］JJF 1059.1—2012測量不確定度評定與表示［S］，2013.

［6］JJF 1242—2010激光跟蹤三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范［S］，2010.

Research on Indoor Virtual Linear Baseline

PAN Jia-sheng，HUANG Su，ZHANG Yong
（Guangdong Institute of Metrology，Guangzhou，Guangdong 510405，China）

A virtual indoor straight baselines is researched.The method of calibration for virtual linear baseline by electronic total station and the principle of establishing indoor straight baselines are proposed.With the sources of uncertainty analyzing，the expanded uncertainty U=1.4 mm（k=2）is estimated，when the distance of the virtual indoor straight baselines is 100 meters.The hand-hold laser distance meter is tested by using the virtual indoor straight baselines.The results show that it is reliable.

Metrology；Virtual linear baseline；Laser distance meter；Uncertainty

TB92

A

1000-1158（2015）01-0019-03

10.3969/j.issn.1000-1158.2015.01.05

2013-12-13；

2014-07-26

國家質(zhì)檢總局科研項(xiàng)目（2011QK306）

潘嘉聲（1958-），男，遼寧臺安人，廣東省計(jì)量科學(xué)研究院高級工程師，主要從事幾何量精密儀器計(jì)量檢測技術(shù)的研究。pjs@scm.com.cn