【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 越多，為了解決整周角 度的測(cè)量問(wèn)題，對(duì)上述方法進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，提出了幾種新的激光干涉任意角度測(cè)量方法。 (一 ) 用雙平面反射鏡實(shí)現(xiàn)任意角度測(cè)量 該系統(tǒng)的構(gòu)造如圖 7 所示。系統(tǒng)的核心部分由旋轉(zhuǎn)鏡 RM、旋轉(zhuǎn)鏡懸架 SU 以及防傾斜裝置 TP 構(gòu)成。防傾斜裝置 TP 能夠保證在一周的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，由旋轉(zhuǎn)鏡 RM 的兩鏡面構(gòu)成的直角的角平分線始終與入射的激光束平行。當(dāng)旋轉(zhuǎn)鏡懸架SU 轉(zhuǎn)動(dòng) θ 角時(shí)，旋轉(zhuǎn)鏡 RM 在光線入射方向移動(dòng)相應(yīng)的距離，光電元件接收的干涉條紋數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化 [25]。該方法存在的主要問(wèn)題時(shí)平面鏡的表面形貌和兩平面鏡的直角誤差 都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，另外機(jī)械導(dǎo)桿的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)度也會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生偏差，需要用算法進(jìn)行修正。 （ 二） 定值角型任意角干涉測(cè)量技術(shù) 兩塊平面鏡以一定的夾角排列而構(gòu)成的光學(xué)組件即為定值角，用標(biāo)準(zhǔn)定值角取代邁克爾遜干涉儀中的測(cè)量干涉經(jīng)就構(gòu)成定值角干涉儀。天津大學(xué)根據(jù)該原理設(shè)計(jì)的一個(gè)雙定值角型測(cè)角系統(tǒng)光路如圖 8 所示。由激光器 1 初涉的光束經(jīng)擴(kuò)大鏡組 針孔濾波器 準(zhǔn)直透鏡 限束光闌 平面反射鏡 分光鏡 8 后分成兩束，分別進(jìn)入由長(zhǎng)平面鏡 9 和被檢多面棱鏡 12 構(gòu)成的雙定值角，經(jīng)反射后在分光鏡 8 上產(chǎn)生干涉，干涉信號(hào)由 CCD 元件 4 接收。這一路光稱為多面棱體檢定光路，與其對(duì)稱的右半部分稱為雙定值角測(cè)量－ 跟蹤干涉儀，工作原理與其完全相同。該系統(tǒng)能在 0～ 360 度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意角度的高準(zhǔn)確度測(cè)量，測(cè)量不確定度優(yōu)于 39。39。[27]。該方法的主要問(wèn)題是標(biāo)準(zhǔn)定值角的加工及安裝精度比較難保證，而且測(cè)量過(guò)程中需要一套雙定值跟蹤系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 （三） 雙頻激光楔形平板干設(shè)法測(cè)量任意轉(zhuǎn)角 利用雙光線經(jīng)過(guò)楔形平板時(shí)光程差變化與平板轉(zhuǎn)角的關(guān)系，測(cè)得光程差的變化，從而得出相應(yīng)的轉(zhuǎn)角變化。系統(tǒng)基本原理如圖 9 所示。由雙頻激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)分光鏡分為兩束，反射光經(jīng)檢偏器 1 后由光電接收器接收，形成參考信號(hào)。投射的 一束光是測(cè)量光路，經(jīng)過(guò)偏振偏光鏡將偏振方向相互垂直的兩路光分開(kāi)，頻率分別為 f1 和 f2，兩路光分別經(jīng)過(guò) λ/4 波片和楔形平板后由角錐鏡反射回偏振分光鏡鏟射產(chǎn)生干涉信號(hào)，經(jīng)檢偏器后由光電接收器 2 吸收，將光電接收器 2 的信號(hào)送入信號(hào)處理電路，可得到多普勒頻差，該頻差值隨光程差而變，即隨平板移動(dòng)而變化，因此可以得到楔形平板轉(zhuǎn)角的信息。系統(tǒng)中光線 4次通過(guò)楔形平板，采用了差動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以消除楔形平板的平移和擺動(dòng)誤差產(chǎn)生的影響。該系統(tǒng)可以自動(dòng)判別轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可測(cè)量 360 度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)角，動(dòng)態(tài)相應(yīng)范圍為 4r/s。但是，系統(tǒng) 靈敏度在整個(gè)測(cè)量方位內(nèi)不是常數(shù)，為了克服這以缺點(diǎn)，使用在空間相互垂直的兩套測(cè)量光路以消除 90 度和 270 度兩個(gè)死點(diǎn)，這樣就使系統(tǒng)的體積非常龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另外，由于使用多個(gè)角錐反射鏡，使光路裝調(diào)比較困難，很難在實(shí)際中應(yīng)用。 為了解決以上問(wèn)題，本文作者在此原理的基礎(chǔ)上提出了一種基丁光柵楔形平板的雙頻激光干涉角度測(cè)量的新方法，可以簡(jiǎn)化測(cè)量裝置，相應(yīng)的提高系統(tǒng)靈敏度和測(cè)量精度。 由上所述可以看出激光干涉測(cè)角法的最大優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、信號(hào)均勻性好、信噪比高，有希望達(dá)到通常方法達(dá)不到的準(zhǔn)確度，因此在高精度 角度測(cè)量中得到了大量的運(yùn)用。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難在現(xiàn)場(chǎng)使用。隨著激光干涉測(cè)量?jī)x器的改進(jìn)及新型激光光源的誕生和改進(jìn)，可以得到進(jìn)一步發(fā)展。 環(huán)形激光測(cè)教法 環(huán)形激光器已發(fā)展成為在 360 度整周角度范圍內(nèi)的高測(cè)量精度和高測(cè)量分辨力的角度和角速度傳感器，在慣性導(dǎo)航和角速度定位方面有重要 的用途。環(huán)形激光是轉(zhuǎn)速測(cè)量準(zhǔn)確度最高的方法，轉(zhuǎn)速測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確度可達(dá)到 10－ 6。研究環(huán)形激光器最多的國(guó)家是德國(guó)和俄羅斯。用該技術(shù)測(cè)角有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 易實(shí)現(xiàn)自校，可以在測(cè)量過(guò)程中確定環(huán)形激光器的比例因子，從而大大減少了測(cè)量誤差。 （ 2） 可以實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)角測(cè)量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍寬。 （ 3）可以在轉(zhuǎn)速測(cè)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角測(cè)量，還可以測(cè)量瞬態(tài)轉(zhuǎn)速。 缺點(diǎn)是加工工藝難以保證，成本高，對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格，這是環(huán)形激光器沒(méi)有得到大量應(yīng)用的最主要原因。主要誤差來(lái)源是 頻鎖 、 零飄 、 頻率牽引 和地球 自轉(zhuǎn)的影響。 環(huán)形激光測(cè)角的基本原理如圖 10 所示。當(dāng)被檢量具和環(huán)形激光器相對(duì)于靜止的光電自準(zhǔn)直儀同步轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在瞄準(zhǔn)軸與量具棱面發(fā)現(xiàn)相重合的瞬間，被測(cè)角度轉(zhuǎn)換成由光電流觸發(fā)和停止脈沖所需的時(shí)間間隔，接口裝置在此間隔內(nèi)對(duì)環(huán)形激光脈沖讀數(shù) [31]。圣彼得堡電子大學(xué)和 PTB 合作研制的精密環(huán)形激光測(cè)角計(jì)可用于光學(xué)多面體和光學(xué)編碼器的校準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)物體的外部角度測(cè)量和測(cè)角儀本身的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)角測(cè)量。該裝置的原理和上面介紹的基本相同。為了消除環(huán)形激光器比例系數(shù)絕對(duì)值長(zhǎng)時(shí)間波動(dòng)引起的測(cè)量誤差，與測(cè)量過(guò)程同時(shí)進(jìn)行激光器校準(zhǔn)， 即用2π 角度（整轉(zhuǎn)）內(nèi)的周期數(shù)相加的方法確定環(huán)形激光器差頻周期角值。與標(biāo)準(zhǔn)角度測(cè)量方法相比，該裝置在 1r/s 的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到(39。39。)[32]。他們還將環(huán)形激光用于衍射光譜儀衍射角的測(cè)量，在 0 度到360 度范圍內(nèi)測(cè)量誤差大約為 弧秒 [33]。 總結(jié) 通過(guò)對(duì)目前常用的幾種光學(xué)測(cè)角的方法的介紹可以看出，光學(xué)測(cè)角法在角度測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且達(dá)到了很高的測(cè)量精度。圓光柵在角度測(cè)量中的應(yīng)用非常廣泛，在整周任意角度的測(cè)量中也達(dá)到了極高的準(zhǔn)確度。其缺點(diǎn)是對(duì)光柵與轉(zhuǎn)臺(tái)的對(duì)心準(zhǔn)確度要求較高，高準(zhǔn)確度光柵的制作加工困難。光學(xué)內(nèi)反射法小角度測(cè)量的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，可以做成袖珍式測(cè)角儀，但其測(cè)量范圍也很小，因此只能用于小角度測(cè)量。激光干涉測(cè)角技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，小角度測(cè)量已經(jīng)達(dá)到了極高的準(zhǔn)確度，各種不同的測(cè)量?jī)x器在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量的條件下也具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 穩(wěn)定性好、儀器只能化等許多優(yōu)點(diǎn)。作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，消除誤差因素可進(jìn)行整周角度測(cè)量。但目前的效果不很理想，測(cè)量精度不是很高，而且體積龐大，不適合在現(xiàn)場(chǎng)使用，因此還需要作進(jìn)一步研究。在整周角度測(cè)量中，環(huán)形激光器被認(rèn)為優(yōu)于目前其他技術(shù)。該方法的缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，對(duì)測(cè)量條件要求很高，但該方法在動(dòng)態(tài)整周角度測(cè)量方面是一個(gè)非常有前途的發(fā)展 方向。 第三章 大比例尺數(shù)字測(cè)圖 數(shù)字測(cè)圖的產(chǎn)生 傳統(tǒng)的地形測(cè)量是用儀器在 野外測(cè)量角度、距離、高差，作記錄 (稱外業(yè) )，在室內(nèi)作計(jì)算、處理，繪制地形圖 (稱內(nèi)業(yè) )等。由于地形測(cè)量的主要成果 —— 地形圖是由測(cè)繪人員利用分度器、比例尺等工具模擬測(cè)量數(shù)據(jù)，按圖式符號(hào)展繪到白紙 (繪圖紙或聚酯簿膜 )上，所以又俗稱白紙測(cè)圖或模擬法測(cè)圖。 隨著電子技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了測(cè)距儀、全站儀、陀螺儀等光電結(jié)合型的測(cè)繪儀器，傳統(tǒng)的測(cè)繪方法因此而發(fā)生了巨大的變化。全站儀作為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的測(cè)繪儀器，是電子技術(shù)與光學(xué)技術(shù)結(jié)合發(fā)展的光電測(cè)量?jī)x器，集測(cè)距儀、電子經(jīng)緯儀的優(yōu)點(diǎn)于一體 。在智能型全站儀中采用了光、電、磁、機(jī)的最新科學(xué)成果，具有了測(cè)距、測(cè)角功能。國(guó)際上先進(jìn)的全站儀均以存儲(chǔ)卡、內(nèi)部存儲(chǔ)器或電子手薄的方式記錄數(shù)據(jù)，具有雙路傳輸?shù)耐ㄓ嵐δ?，可以與外部計(jì)算機(jī)或電子手簿進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互傳遞，也可以依靠外部計(jì)算機(jī)或電子手簿的指令進(jìn)行測(cè)量工作。以全站儀為代表的智能化、數(shù)字化儀器是測(cè)量?jī)x器今后的發(fā)展方向之一。有了全站儀等先進(jìn)測(cè)量?jī)x器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的大力支持，就可以建立三維數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、處理的測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的手薄記錄、手工錄入、繁瑣計(jì)算等大量的重復(fù)性的工作角有計(jì)算機(jī)處理，在減輕工 作人員工作強(qiáng)度的同時(shí)效益提高了，速度加快了，精度也得到了保證和提高。 科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，信息化測(cè)量?jī)x器 —— 全站型電子速測(cè)儀的廣泛應(yīng)用，以及微型計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展與滲透，促進(jìn)了地形測(cè)繪的自動(dòng)化，并成為大比例尺地形測(cè)量全面革新的最積極、最有活力的因素和最可靠的技術(shù)保障，地形測(cè)量從白紙測(cè)圖變革為數(shù)字測(cè)圖，測(cè)量的成果不僅是繪制在紙上的地形圖，更重要的是提交可供傳輸、處理、共享的數(shù)字地形信息，即以計(jì)算機(jī)磁盤(pán)為載體的數(shù)字地形圖，這將成為信息時(shí)代不可缺少的地理信息的重要組成部分。 測(cè)量方法與手段的 發(fā)展 在測(cè)量?jī)x器發(fā)展的同時(shí)，測(cè)量方法與手段也在不斷發(fā)展。 以衛(wèi)星遙感（ RS）、全球定位系統(tǒng)（ GPS）為代表的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)在測(cè)繪科學(xué)中的應(yīng)用日趨成熟，遙感包括衛(wèi)星遙感和航空遙感，基于遙感資料建立數(shù)字地面模型（ DTM）進(jìn)而應(yīng)用于測(cè)繪工作已獲得了較多的應(yīng)用。 GPS(global positioning system)是美國(guó)國(guó)防部于 1973 年組織研制的軍用導(dǎo)航定位系統(tǒng)， 80 年代商品化并推廣到民用，引起各界廣泛的注意。 GPS 定位方法精度高，方便靈活。GPS 定位技術(shù)在測(cè)繪中的應(yīng)用和普及，是測(cè)繪科技的 一個(gè)重大的突破性進(jìn)展。GPS 已經(jīng)成為大地測(cè)量的主要技術(shù)手段，不僅具有全天候、高精度和高度靈活性的優(yōu)點(diǎn)，而且與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，無(wú)嚴(yán)格的控制測(cè)量等級(jí)之分，不必考慮測(cè)點(diǎn)間通視，不需造標(biāo)，不存在誤差積累，可同時(shí)進(jìn)行三維定位等優(yōu)點(diǎn)，在外業(yè)測(cè)量模式、誤差來(lái)源和數(shù)據(jù)處理方面是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量觀念的革命性轉(zhuǎn)變。 慣性測(cè)量系統(tǒng)（ Inertial Surveying System： ISS）是一種導(dǎo)航定位技術(shù)，具有全天候、自主式、快速多能和機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。為大地測(cè)量、工程測(cè)量和礦山測(cè)量作業(yè)的自動(dòng)化和全能型提供了另一種新的技 術(shù)手段