全站儀的誤差源分析及測(cè)距誤差模型的建立

摘 要：全站儀作為主要測(cè)繪儀器，測(cè)量?jī)x器的技術(shù)水平代表了測(cè)繪生產(chǎn)力的高低，誤差精度對(duì)測(cè)繪者來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，在全站儀測(cè)距誤差檢定方面存在著很多原因，本文作者探討了全站儀距離測(cè)量的原理，分析可能造成誤差的原因，提出了測(cè)距誤差的模型，可為全站儀的使用和檢定人員提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：全站儀；誤差源；測(cè)距；誤差模型

1 概述

全站儀是一種在各種測(cè)繪領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的電子測(cè)量?jī)x器。隨著技術(shù)與需求的不斷發(fā)展，電子全站儀的高精度化和高智能化會(huì)繼續(xù)提高?？梢灶A(yù)見(jiàn)，電子全站儀在世紀(jì)仍然是空間信息采集的主要儀器。測(cè)量?jī)x器的技術(shù)水平代表了測(cè)繪生產(chǎn)力的高低。對(duì)測(cè)繪工作來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)質(zhì)量由儀器的誤差精度決定。為獲得高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，保證工程質(zhì)量，就必須對(duì)計(jì)量的儀器誤差進(jìn)行分析，對(duì)計(jì)量?jī)x器進(jìn)行檢定和修正。

全站儀經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，在使用過(guò)程中一些人為因素會(huì)對(duì)儀器內(nèi)部部件造成不等程度的擾動(dòng)，以至儀器在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)非人為因素誤差，儀器測(cè)量精度大大降低，超過(guò)了測(cè)量限差，此時(shí)沒(méi)有辦法通過(guò)儀器參數(shù)修改來(lái)改進(jìn)，所以需到計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)檢定，然后再對(duì)儀器測(cè)量精度進(jìn)行再評(píng)定。由于儀器不精確，造成工程上的后果非常嚴(yán)重。因此儀器準(zhǔn)確度檢定，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步有著重大的意義。

2 全站儀的工作原理

全站儀距離測(cè)量是通過(guò)電磁波來(lái)完成的。電磁波又稱電磁輻射。變化的電磁場(chǎng)使相鄰的區(qū)域也產(chǎn)生電磁場(chǎng)，從而使能量和動(dòng)量以波的形式傳遞出去，傳播速度為光速。全站儀測(cè)距的原理就是利用電磁波在兩點(diǎn)之間直線傳播，通過(guò)傳播所用的時(shí)間，計(jì)算出兩點(diǎn)間的距離。

全站儀的本振器發(fā)出一個(gè)恒定頻率的信號(hào)，通過(guò)鎖相環(huán)發(fā)送出去，遇到被測(cè)點(diǎn)放置的棱鏡后反射回來(lái)。同時(shí)本振器發(fā)送信號(hào)給計(jì)數(shù)器。其中鎖相環(huán)的作用是使主震頻率與信號(hào)頻率形成一個(gè)固定差。經(jīng)反射后的電磁波先經(jīng)過(guò)接收器，再放大后送入檢相計(jì)數(shù)器，通過(guò)比較開(kāi)始發(fā)送給計(jì)數(shù)器和反射后的信號(hào)比相，得到相位差，計(jì)算出距離。

3 全站儀的誤差源分析

全站儀是光電，精密機(jī)械，計(jì)算機(jī)等各種技術(shù)高度槃成的儀器。能夠產(chǎn)生誤差的原因也是多種多樣的。全站儀測(cè)量誤差的主要來(lái)源包括與距離有關(guān)的誤差來(lái)源、與測(cè)量距離無(wú)關(guān)的誤差、光電信號(hào)的擾亂引入的誤差、測(cè)相誤差、幅相誤差、零點(diǎn)誤差等等。

（一）與距離有關(guān)的誤差來(lái)源：全站儀通過(guò)電磁波進(jìn)行測(cè)距，光波傳輸過(guò)程中，大氣的折射，標(biāo)準(zhǔn)頻率位的偏離等都會(huì)對(duì)測(cè)量的結(jié)果造成誤差，這種誤差是隨著測(cè)量距離的變化而變化的。其中，大氣折射率引起的誤差與測(cè)量的天氣，地點(diǎn)，溫度等有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)頻率值的偏差則是由儀器自身原因引起的，例如電源電壓的變化，儀器溫度的變化等。

（二）與測(cè)量距離無(wú)關(guān)的誤差：不管全站儀要測(cè)量的距離是多長(zhǎng)，這一部分誤差總是固有存在的，主要包括幅相誤差，周期誤差，儀器零點(diǎn)誤差，測(cè)相誤差等。

（三）光電信號(hào)的擾亂引入的誤差是周期誤差產(chǎn)生的主要原因。儀器發(fā)出光波進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于混頻，空間耦合以及棱鏡返回的光信號(hào)在內(nèi)部光學(xué)元件中發(fā)生漫反射等原因，在儀器接收部分形成一個(gè)擾亂信號(hào)，當(dāng)一起進(jìn)行相位差來(lái)計(jì)算測(cè)量距離吋，這個(gè)信號(hào)就干擾了相位比較，使參考信號(hào)和測(cè)距信號(hào)的比較產(chǎn)生誤差。

（四）測(cè)相誤差：影響相位比較的精度的因素還有相位漂移，信噪比等。

（五）幅相誤差：由于光波信號(hào)強(qiáng)弱不同，光信號(hào)接收回來(lái)后幅度不同造成相移，引起了測(cè)量的誤差。

（六）零點(diǎn)誤差：全站儀內(nèi)光學(xué)器件的零點(diǎn)和對(duì)點(diǎn)器不一致造成零點(diǎn)誤差。

4 全站儀測(cè)距誤差模型的建立

由上一章節(jié)的分析可知，本文把全站儀的誤差來(lái)源分為與距離有關(guān)的比例誤差和與距離無(wú)關(guān)的誤差，本文稱之為固定誤差。比例誤差主要由大氣折射率，頻率偏差造成。固定誤差包括零點(diǎn)誤差，幅相誤差等。因此對(duì)全站儀測(cè)距誤差進(jìn)行檢定時(shí)，本文確定測(cè)距誤差的模型為：

式中：

—全站儀顯示出的距離。

L —根據(jù)測(cè)距原理測(cè)出來(lái)的長(zhǎng)度

K —與距離無(wú)關(guān)的固定誤差，在全站儀檢定中把它叫加常數(shù)。

R —與距離有關(guān)的比例誤差的比例常數(shù)，叫做乘常數(shù)。

加常數(shù)K：由于儀器的老化和磨損等原因，儀器的固定誤差也是不斷在變的，所以一臺(tái)全站儀在進(jìn)行大型項(xiàng)目之前，必須對(duì)其進(jìn)行檢定。針對(duì)存在測(cè)距時(shí)與測(cè)量距離無(wú)關(guān)的固定誤差，在對(duì)全站儀檢定時(shí)，為使測(cè)量值逼近實(shí)際值，在所有測(cè)量值之后加一個(gè)固定的偏差。

乘常數(shù)R：檢定時(shí)，在測(cè)量值上還要加上一個(gè)與距離有關(guān)的偏差，這個(gè)偏差與要測(cè)量的距離成正比。這個(gè)比例常數(shù)就是本文所要求出的。

5 結(jié)論

由于全站儀在不同的環(huán)境，地形下進(jìn)行測(cè)量，包括儀器自身的原因等。在求解出加常數(shù)后，可以嘗試單獨(dú)的對(duì)加常數(shù)K進(jìn)行不確定度的判定。在應(yīng)用基線法檢定加常數(shù)的過(guò)程中，影響加常數(shù)K不確定的因素很多。主要包括：棱鏡，儀器的對(duì)中誤差、大氣折射率的變化地形的影響等。

在得出的加常數(shù)和乘常數(shù)的結(jié)果后，本文主要進(jìn)行加常數(shù)和乘常數(shù)的顯著性檢驗(yàn)。這是因?yàn)?，評(píng)定誤差模型時(shí)，把由各種因素引起的誤差分為與距離無(wú)關(guān)和與距離成正比的部分。在得出加常數(shù)和乘常數(shù)后，經(jīng)鑒定，全站儀屏幕上輸出的距離就是經(jīng)過(guò)本文鑒定后的值。但是在測(cè)量過(guò)程中，由于儀器的老化和元件的物理磨損等原因。本文所取得的加常數(shù)和乘常數(shù)呈現(xiàn)變化性。因此，全站儀的檢定時(shí)周期性的，如果所計(jì)算的加常數(shù)和乘常數(shù)過(guò)大，那么儀器就需要重新調(diào)整。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用或儀器由于碰撞等原因，計(jì)算得到的誤差模型整體上不一定呈直線分布，測(cè)量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離所擬合直線。這樣在全站儀距離誤差檢定時(shí)，就不能完全按照

來(lái)進(jìn)行。

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作者簡(jiǎn)介：

冀紅，性別：女，出生年月：1968年11月20日，職稱：工程師，工作單位：沈陽(yáng)計(jì)量測(cè)試院，研究方向：測(cè)繪儀器、光學(xué)儀器、驗(yàn)光設(shè)備。