折光腔法鑒相式大長度測(cè)量儀檢定方法

黃　穌，潘嘉聲,張　勇

（1.廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計(jì)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510405；2.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

折光腔法鑒相式大長度測(cè)量儀檢定方法

黃穌，潘嘉聲,張勇

（1.廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計(jì)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510405；2.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

大長度測(cè)量儀檢定工作一般在野外基線場(chǎng)上進(jìn)行，耗時(shí)費(fèi)力、強(qiáng)度高效率低、受環(huán)境影響嚴(yán)重等問題一直困擾計(jì)量檢定人員。為改變這一落后作業(yè)模式，在手持激光測(cè)距儀室內(nèi)檢定裝置研制成功的基礎(chǔ)上，該文提出基于折光腔法與虛擬基線理論構(gòu)造鑒相式大長度測(cè)量儀檢定裝置，擬將野外檢定基線場(chǎng)完整搬入室內(nèi)。利用費(fèi)馬原理設(shè)計(jì)的折光腔將長度＞1000m的光路壓縮在數(shù)十米以內(nèi)，利用光的反射定律推導(dǎo)出虛擬基線（室內(nèi)大長度各段標(biāo)準(zhǔn)值）的計(jì)算方法，同時(shí)進(jìn)一步提出檢定裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，技術(shù)參數(shù)及控制措施，并通過對(duì)系統(tǒng)潛在影響因素分析以論證該大長度室內(nèi)檢定裝置的可行性。

大長度；折光腔；虛擬基線；費(fèi)馬原理

0　引　言

鑒相式大長度測(cè)量儀器涵蓋了全站儀、光電測(cè)距儀等野外測(cè)距的儀器，該類儀器在20世紀(jì)80年代初進(jìn)入我國以來，在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。作為一種基礎(chǔ)計(jì)量器具，被我國依法納入計(jì)量器具的管理范疇，國家先后頒布了3個(gè)版本的檢定規(guī)程，該類儀器以1年為周期，必須經(jīng)過有關(guān)部門的周期檢定方能合法使用。目前按國家計(jì)量檢定規(guī)程的要求，需在野外長度＞1000 m的場(chǎng)地建立不少于7個(gè)基線觀測(cè)墩，由經(jīng)過標(biāo)定的各觀測(cè)墩間的距離全組合成不少于21段基線邊（長度標(biāo)準(zhǔn)值），檢定時(shí)需要在這些觀測(cè)墩間來回安置儀器和擺放合作目標(biāo)。國際上采用標(biāo)準(zhǔn)ISO 17123-4——2012[1]，其檢測(cè)設(shè)備也是野外基線場(chǎng)，檢測(cè)方法也按全組合模式逐點(diǎn)安放被測(cè)儀器和合作目標(biāo)?？梢姛o論國內(nèi)國外，檢定方法繁瑣、工作強(qiáng)度大、檢定效率低且嚴(yán)重受野外環(huán)境的影響，一直困擾著計(jì)量檢定人員。為改變“落后”的檢定模式，近年來，很多單位進(jìn)行了相關(guān)的研究，典型方法包括標(biāo)準(zhǔn)光纖法、棱鏡陣列法等壓縮光路的方法，但都存在固有的弊端而未能有效解決該問題[2-6]。本文提出一種采用雙平面折光腔的室內(nèi)虛擬基線場(chǎng)法（折光腔法），目的在于將檢定場(chǎng)所從室外搬入室內(nèi)，并從基本原理、典型構(gòu)造、技術(shù)參數(shù)、保證措施及影響分析等方面展示裝置的可行性。

1　檢定系統(tǒng)測(cè)量原理

折光腔法通過壓縮光路實(shí)現(xiàn)大長度測(cè)量儀的檢定，由費(fèi)馬原理可得，光沿光程為最小值、最大值或恒定值的路徑傳播。設(shè)光從A到B的光程為L，介質(zhì)中的任意兩點(diǎn)A、B，ds、Δn為AB間的微分距離與介質(zhì)的折射率，則有：

根據(jù)光在均勻透明介質(zhì)中按直線傳播，同時(shí)光在均勻透明介質(zhì)中傳播時(shí)，折射率各處一致，即Δn1=Δn2=…Δnm=n，其中Δn1～Δnm為各段微分介質(zhì)的折射率，n為AB間介質(zhì)的折射率。則有：

如圖1所示，假設(shè)在空氣里一路光從A直接射到B，另一路光從C經(jīng)E、F、G、H射到D，基于光的直線傳播定律，并設(shè)第1路光走過的路程為l，第2路光走過的路程為L。

圖1　不同光路光程計(jì)算示意圖

設(shè)t和T分別是第1路和第2路光的運(yùn)行時(shí)間，則有：

若T=t，則L=l，因此用測(cè)量L的結(jié)果替代對(duì)l的測(cè)量，這即為檢定儀“折光腔”的基本原理，測(cè)距光束（最大時(shí)）按20∶1的壓縮比折疊在5 m空間，實(shí)現(xiàn)手測(cè)設(shè)備測(cè)量長達(dá)105m的設(shè)計(jì)要求。若將此理應(yīng)用于大長度測(cè)量儀檢定裝置，只需加大“折光腔”空間（縱向和橫向）距離，即可實(shí)現(xiàn)該裝置模擬野外1 020 m的基線長度。

2　折光腔長度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法

標(biāo)準(zhǔn)是真值或約定真值，通常是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的示值（標(biāo)定值），圖2為折光腔長度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算示意圖，其標(biāo)準(zhǔn)為各段虛擬基線的長度Li。虛擬基線[7-8]的概念是理想光位于被檢儀器的位置并按被檢儀器的方位射入實(shí)際的“折光腔”里，直到返回點(diǎn)時(shí)，其間所行進(jìn)的理論路程。

圖2　折光腔長度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算示意圖

從圖中可以看出，“折光腔”中兩反射面平行，設(shè)其間距離（母光距）為D0，將最初入射角φ1和φ2等量傳遞到最后的反射角，則虛擬基線的長度計(jì)算式可表達(dá)為

令i為反射次數(shù)，則可得長度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算式：

3　大長度測(cè)量儀檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)控制措施

圖3為大長度測(cè)量儀檢定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，主要由地基平臺(tái)系統(tǒng)、安裝調(diào)節(jié)系統(tǒng)、折光腔系統(tǒng)、置角測(cè)角系統(tǒng)、強(qiáng)制回光系統(tǒng)、工作臺(tái)系統(tǒng)等組成，主要的改進(jìn)工作是將折光腔中的兩反射體間的距離拉大至合適長度并橫向加大面積，改造工作臺(tái)系統(tǒng)適合安裝被檢儀器并僅保持其升降功能，即可實(shí)現(xiàn)大長度測(cè)量儀器的檢定，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是可行的。

圖3　大長度測(cè)量儀檢定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

為構(gòu)造大長度測(cè)量儀器檢定裝置，在搭建上述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時(shí)，還需合理設(shè)計(jì)和控制以下參數(shù)：

1）反射體表面的反射率R

反射率要求越高越好，文獻(xiàn)[9]指出目前優(yōu)化膜層的技術(shù)反射率可做到R=99.98%。雖然“折光腔”的反射率會(huì)損耗光能量，回光能量是其發(fā)出時(shí)的0.992（R38=0.999838=0.992），但在野外測(cè)距時(shí)，氣候不穩(wěn)定，大氣中的水分子及其他微小物質(zhì)會(huì)吸收光能量，文獻(xiàn)[10]指出在2 000 m長度上透過率只有65%，但在“折光腔”中的大氣水分子及其他吸光物質(zhì)大為減少，透過率有望較大幅度提高。以全站儀為例，絕大多數(shù)能在野外1000m以上正確測(cè)距，在大長度測(cè)量儀器檢定裝置中回光強(qiáng)度將更好，其正確測(cè)距不受影響。反射體表面的反射率R在現(xiàn)代多層介質(zhì)膜鍍膜工藝和加工技術(shù)條件下，可實(shí)現(xiàn)較高反射率。

2）“折光腔”的母光距D0

母光距D0是虛擬基線長度，即標(biāo)準(zhǔn)示值來源，實(shí)際是兩反射平面間的距離，按規(guī)程 （最長基線段＞1 000m）[11]及上述反射率的要求，母光距可由下式計(jì)算：

取D0=51m，則虛擬的最長基線為51×20=1020m。母光距D0通過標(biāo)定技術(shù)實(shí)現(xiàn)，采用雙頻激光干涉儀和μBASE高準(zhǔn)確度光電測(cè)距儀可有效實(shí)施對(duì)母光距的標(biāo)定，測(cè)量不確定度可控制在10-6以內(nèi)。激光跟蹤儀、甚至高準(zhǔn)確度全站儀都可用來標(biāo)定母光距，只是具體操作模式和標(biāo)定工藝還值得深入研究，特別是全站儀外部斜射——多段平均法[12]，消除了全站儀自身的固定誤差a，并抑制了比例誤差系數(shù)的影響。

3）“折光腔”的最短寬度B0

入射角φ的臨界值經(jīng)測(cè)量為φT=409″，取φT=425″，B0由下式計(jì)算：

最短寬度B0通過機(jī)械設(shè)計(jì)和加工予以保證。但還需考慮以下兩點(diǎn)：①反射面的尺寸太大將增加費(fèi)用；②光點(diǎn)在反射面上并非連續(xù)分布，因而可采用集成光反元件制作反射體。同時(shí)研究光點(diǎn)成面陣（二維）分布的構(gòu)體，可大大減少鍍膜面積，減少成本。

4）“折光腔”兩反射面的夾角β

兩反射面的夾角理論上為0，但不可能做到，只能越小越好，結(jié)合各種因素考慮的影響，取β≤5″。保證兩反射面的夾角β目的是保證兩反射面大致平行。采用自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀，將其安置于“折光腔”中部，并將望遠(yuǎn)鏡調(diào)至水平狀態(tài)，往左照準(zhǔn)“折光腔”的任一反射面，利用自準(zhǔn)直系統(tǒng)和“折光腔”相互獨(dú)立的俯仰、偏擺調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將該反射面調(diào)至垂直于經(jīng)緯儀光軸；再將經(jīng)緯儀旋轉(zhuǎn)180°，按同樣方法把另一反射面調(diào)至與經(jīng)緯儀光軸垂直，反復(fù)兩到三次，可將兩反射面的夾角調(diào)到β≤5″?；蛘哂眉す飧檭x通過兩反面間不同距離監(jiān)控和調(diào)整使β≤5″。

4　系統(tǒng)影響因素分析

搭建大長度測(cè)量儀檢定裝置的主要影響因素是光的波動(dòng)。鑒相式大長度測(cè)量儀發(fā)出的紅外激光經(jīng)過電頻調(diào)制，光強(qiáng)隨加載電信的頻率成正弦變化。但由于該電信頻率從幾十兆赫茲至幾百兆赫茲，波長為幾米至幾十米，這對(duì)于需要考慮光波波長的微觀尺度來說是很大的，故在介質(zhì)和界面上幾乎不產(chǎn)生影響或其影響甚微而被忽略。其次，折光腔的反射體通過鍍膜增加反射率，光波在多層界膜上的多次反射相干疊加才使反射光獲得很高的強(qiáng)度，介質(zhì)膜層的厚度對(duì)母光距D0存在影響，按敏感波長1000nm、17層膜層計(jì)算，總厚度為

故引起的母光距誤差為8.6 μm，當(dāng)虛擬基線為1020m時(shí)，引起的不確定度為0.16mm，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可忽略，當(dāng)用膜層厚度修正母光距（取多膜層反射光的平均效應(yīng)時(shí)）后，不確定度為0.08mm，甚至可采用其他技術(shù)將母光距的系統(tǒng)誤差測(cè)出予以補(bǔ)償或修正。因此，光的波動(dòng)效應(yīng)不會(huì)對(duì)裝置的建立產(chǎn)生決定性的影響。

5　結(jié)束語

論文詳細(xì)闡述了基于折光腔法與虛擬基線理論構(gòu)造鑒相式大長度測(cè)量儀檢定裝置的原理，以及虛擬基線的標(biāo)定方法，討論了實(shí)現(xiàn)檢定裝置的結(jié)構(gòu)與參數(shù)控制措施，并指出為實(shí)現(xiàn)該裝置應(yīng)保證以下參數(shù)：反射體表面的反射率應(yīng)盡可能高；母光距可通過雙頻激光干涉儀和μBASE高準(zhǔn)確度光電測(cè)距儀標(biāo)定，測(cè)量不確定度可控制在10-6以內(nèi)；兩反射面的夾角控制在β≤5″內(nèi)。

[1]ISO17123-4—2012 Part 4：Electro-optical distance meters（EDM measurements to reflectors）[S].2002.

[2]石磊.全站儀檢定中必須注意的幾個(gè)問題[J].中國計(jì)量，2005（6）：65.

[3]楊維芳，傅輝清.光電測(cè)距儀檢定方法研究進(jìn)展[J].光學(xué)儀器，2008（30）：77-81.

[4]楊維芳.光電測(cè)距儀室內(nèi)長基線建立方法研究[D].武漢：中國地震局地球物理研究所，2009.

[5]楊潘，李新碗，李中方.基于標(biāo)準(zhǔn)光纖的全站儀測(cè)距室內(nèi)檢定[J].電子技術(shù)，2011（2）：4-5.

[6]史潔琴，何珂，徐永.光纖基線標(biāo)定激光測(cè)距儀方法研究[J].南京航天航空大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（6）：830-834.

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

[8]潘嘉聲，黃穌，張勇.室內(nèi)虛擬直線基線的研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2015，36（1）：19-21.

[9]許春玉，謝德林，楊虎.激光大氣傳輸透過率的分析[J].光電工程，1999，12（29）：8-11.

[10]孔明東，李瑞潔，周九林，等.高反射率光學(xué)薄膜的一種新設(shè)計(jì)方法[J].光電子·激光，2000（11）：62-64.

[11]JJG 100——2003全站型電子速測(cè)儀檢定規(guī)程[S].北京：中國計(jì)量出版社，2003.

[12]黃穌，潘嘉聲，張勇.手持式激光測(cè)距儀室內(nèi)檢定裝置的最佳方法及可行性探討[C]∥測(cè)繪儀器裝備研究與創(chuàng)新，北京：測(cè)繪出版社.

Verification method of phase detector large length measuring instrument based on refraction cavity

HUANG Su，PAN Jiasheng，ZHANG Yong
（1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology，Guangzhou 510405，China；2.Guangdong Institute of Metrology，Guangzhou 510405，China）

Generally，the calibration work is carried out in outdoor fields through large length meters，but it is time-consuming，inefficient and severely affected by the surroundings，which have been long plaguing the metrological verification personnel.Based on the indoor test device for portable laser rangefinder，this paper has proposed to design a calibration device for phasedemodulation large-length measuring instrument according to refraction cavity and virtual baseline theory，that is，to move verification baseline fields from outdoor to indoor.The refraction cavity designed by Fermat’s principle is used to fold the light path greater than 1000m within 10m and at the same the reflection law of light is applied to deduce a calculation formula to calculate the virtual baseline（standard value at each section of indoor large length）.The structure design，technical parameters and control measures of the calibrating device has been discussed as well，and its feasibility has been demonstrated by analyzing the potential influence factors of the system.

long length；refraction cavity；virtual baseline；Fermat’s principle

A

1674-5124（2015）12-0021-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.006

2015-06-21；

2015-07-30

國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011QK306）

黃穌（1957-），男，重慶市人，教授級(jí)高工，主要從事測(cè)繪儀器的計(jì)量檢定和科研工作。