【正文】 系統(tǒng)儀真正成為高精度、全天候和全球性的無(wú)線電導(dǎo)航、定位、定時(shí)的多功能系統(tǒng)。目前此種模式價(jià)格昂貴，適用于特定的應(yīng)用場(chǎng)合。測(cè)站無(wú)人操作，而在鏡站遙控開機(jī)測(cè)量，全站儀自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)照準(zhǔn)，自動(dòng)記錄，及時(shí)獲取觀測(cè)成果，還可在鏡站遙控進(jìn)行檢查與編碼。瑞典捷創(chuàng)力 (Geotronic)、日本拓普康 (Topcon)等推出的自動(dòng)跟蹤全站儀的單人測(cè)量系統(tǒng)，再加上電子平板即可實(shí)現(xiàn)此模式。測(cè)站為自動(dòng)跟蹤式全站儀，可以無(wú)人操作；棱鏡站有跑鏡員和電子平板操作員 (甚至平板操作員兼任司鏡員 )。所以測(cè)圖系統(tǒng)要簡(jiǎn)化，不但測(cè)圖軟件和軟件運(yùn)行平臺(tái)的集成度要提高，而且測(cè)量?jī)x器也要利用先進(jìn)的電子技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能。雖然提高了效率、減輕了強(qiáng)度，可是外業(yè)人員還會(huì)抱怨要帶的儀器過(guò)多，對(duì)于測(cè)圖系統(tǒng)集成的呼聲 日益高漲。 GPS/ISS 組合系統(tǒng)能夠使 GPS 與 ISS 的性能得到很多互補(bǔ)，以整體大地測(cè)量模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)確定三維坐標(biāo)和大地水準(zhǔn)面，是滿足高精度導(dǎo)航和定位要求的發(fā)展方向之 一。 ISS 可分為兩大類：平臺(tái)式和捷聯(lián)式。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。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。 GPS 定位方法精度高，方便靈活。 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。 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。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。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。 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。 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。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)。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。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。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。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]。39。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。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。 環(huán)形激光測(cè)角的基本原理如圖 10 所示。 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。 （ 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。研究環(huán)形激光器最多的國(guó)家是德國(guó)和俄羅斯。 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。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難在現(xiàn)場(chǎng)使用。 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。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。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。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)。 （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。[27]。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。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。 （ 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。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]。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。 激光干涉任意角測(cè)量方法 上面介紹的干涉法小角度測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量范圍大約在幾度以內(nèi)，而大范圍的角度測(cè)量要求越來(lái)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。39。為了增加干涉儀抗環(huán)境干擾的能力，可以采用雙頻激光外差干涉測(cè)量法，用雙頻激光代替普通光源。這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟， 美國(guó)、日本、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家早已將激光干涉小角度測(cè)量技術(shù)作為小角度測(cè)量的國(guó)家基準(zhǔn) [25]。在此原理基礎(chǔ)只上發(fā)展起來(lái)的角度測(cè)量系統(tǒng)都致力于光路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和消除各種誤差因素的影響。 激光干 涉小角度測(cè)量 干涉小角度測(cè)量的基本原理可以表示成圖 5 的形式。 激光干涉測(cè)角法 角度可以表示為長(zhǎng)度之比，長(zhǎng)度的變化可以用激光干涉法在角度測(cè)量中得到廣泛的運(yùn)用。 3 角秒的最佳分辨力【 22】。分辨力隨入射角的大小變化，最佳分辨力可達(dá) 8 1 0－ 5 度 [21]。用外差干涉測(cè)角方法。該儀器的缺點(diǎn)是成本高 ,加長(zhǎng)的臨界角棱鏡加工困難。在測(cè)量角度方面，以 3 弧分范圍內(nèi)的分辨力為 弧秒。因此 P S Huang 等人又在此基礎(chǔ)上制成了多次反射型臨界角角度傳感器， 用加長(zhǎng)的臨界角棱鏡代替圖 3 的直角棱鏡以增加反射次數(shù)，如圖 4 所示。內(nèi)反射法是由 P S Huang 等人提出來(lái)的 [18]，用該方法制成的測(cè)角儀體積可以做得很小，因此特別適用于尺寸受限制的空間小角度的在線測(cè)量，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。該測(cè)量方法存在的一個(gè)問(wèn)題是入射角和反射光強(qiáng)之間的關(guān)系是非線形的，靈敏度因此受到限制。內(nèi)反射法小角度測(cè)量就是利用在全反射條件下入射角變化時(shí)反射光強(qiáng)的變化關(guān)系，通過(guò)反射光強(qiáng)的變化來(lái)測(cè)量入射角的變化的。在此基礎(chǔ)上作了相應(yīng)的改進(jìn)，并進(jìn)行了標(biāo)定 [17]。經(jīng)過(guò)變形透鏡后直射或斜射到隨被測(cè)件一起轉(zhuǎn)動(dòng)的反射型衍射光柵上，該光柵是 PBT 特制的 2400 線 /mm正弦相位光柵。檢測(cè)原理光路如圖 2 所示。[15]。按 95%置信度水平確定其系統(tǒng)誤差的不確定度為 39。儀器中用一個(gè)自準(zhǔn)直儀作為基準(zhǔn)指示器，可以測(cè)得絕對(duì)角度，利用光柵細(xì)分原理可測(cè) 360 度范圍內(nèi)的任意角度，附加零伺服機(jī)構(gòu)可以對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，限制零漂。 英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（ NPL）的 E W Palmer 介紹了一臺(tái)作為角度基準(zhǔn)的徑向光柵測(cè)角儀， 如圖 1 所示，既可用于測(cè)角，又可用于標(biāo)定。39。39。的分辨率都非常困難。作為角度測(cè)量基準(zhǔn)的光柵可以用平均讀數(shù)原理來(lái)減小由分度誤差和安裝偏心誤差引起的讀數(shù)誤差，因此其準(zhǔn) 確度高、穩(wěn)定可 *。下面主要介紹幾種近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的小角度測(cè)量方法和可用于整周角測(cè)量的方法。目前，光學(xué)測(cè)角法除眾所周知的光學(xué)分度頭法和多面棱體法外，常用的還有光電編碼器法 [6]、衍射法 [7， 8]、自準(zhǔn)直法， [9， 10]、光纖法 [11]、聲光調(diào)制法 [12， 13]、圓光柵法 [14~17]、光學(xué)內(nèi)反射法 [18~23]、激光干涉法 [24~28]、平行干涉圖法 [29，30]以及環(huán)形激光法 [31~33]等。 測(cè)角技術(shù)中研究最早的是機(jī)械式和電磁式測(cè)角技術(shù)，如多齒分度臺(tái)和圓磁柵等，這些方法的主要缺點(diǎn)大多為手工測(cè)量，不容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，測(cè)量精度受到限制 [1~5]。對(duì)于靜態(tài)測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，目前的主要任務(wù)集中在 如何提高測(cè)量精度和測(cè)量分辨力 [1~3]上。 第二章 角度測(cè)量的其它方法 角度測(cè)量是幾何量計(jì)量技術(shù)的重要組成部分，發(fā)展較為完備，各種測(cè)量手段的綜合運(yùn)用使測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到了很高的水平。 本文介紹的測(cè)角碼盤設(shè)計(jì)方