摘要 為了滿足公路工程施工中各種測量任務(wù)的需要，提高工作效率，并為施工人員及工程標(biāo)的物提供安全保障，各種先進(jìn)的、現(xiàn)代化的測量儀器便相繼問世，并以其優(yōu)越的特性廣泛應(yīng)用于實(shí)際工作中。免棱鏡的發(fā)展是在全站儀結(jié)合光電測距的基礎(chǔ)上建立起來的。免棱鏡全站儀以其特殊的測量工作模式，使其在工作環(huán)境中測量一些特殊點(diǎn)和危險(xiǎn)點(diǎn)方面顯示出極大的優(yōu)越性，解決了傳統(tǒng)全站儀需要架設(shè)棱鏡測量方法難以解決的問題。文章介紹了全站儀在免棱鏡條件下的各項(xiàng)性能測試，得出了一些對公路工程施工有參考意義的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

關(guān)鍵詞 免棱鏡全站儀；公路工程；測距性能；精度分析

中圖分類號 P204 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0057-03

0 引言

全站儀全稱為全站型電子速測儀（Electronic Tachometer

Totalstation）。全站儀的出現(xiàn)對現(xiàn)代測量工作有著質(zhì)的推動(dòng)，改變了傳統(tǒng)的測量模式，對測繪行業(yè)影響深遠(yuǎn)[1]。尤其在近幾年，許多工程領(lǐng)域行業(yè)常用免棱鏡全站儀作為主要測設(shè)儀器，這是實(shí)際施工現(xiàn)代化發(fā)展的必然結(jié)果。從測試方式、使用范圍和環(huán)境來看，全站儀已成為較主流的使用設(shè)備。免棱鏡全站儀具有測速快、測距遠(yuǎn)、高效率、使用方便和安全性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槠涮厥鉁y距模式的優(yōu)越性，使其不單單應(yīng)用在傳統(tǒng)的測量任務(wù)上，在數(shù)字化測圖、邊坡測量、公路測量、橋梁測量以及隧道監(jiān)測等方面也有著廣泛應(yīng)用，甚至還應(yīng)用于大型工業(yè)生產(chǎn)、設(shè)備構(gòu)建對接、調(diào)試作業(yè)、交通工具設(shè)計(jì)、大型水庫監(jiān)測及大型體育設(shè)施等領(lǐng)域[2]。該文重點(diǎn)測試免棱鏡全站儀在公路工程實(shí)際施工環(huán)境條件下的使用情況，并在應(yīng)用范圍、使用環(huán)境、測試條件及精度結(jié)果方面做出分析論證。

1 免棱鏡全站儀的發(fā)展及使用前景

1.1 免棱鏡全站儀發(fā)展概括

隨著施工測量方式的不斷進(jìn)步，新的技術(shù)模式運(yùn)用在測繪儀器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)上，從而使全站儀具有了更加完善的性能，以應(yīng)對當(dāng)今巨量的測量任務(wù)以及復(fù)雜的測量環(huán)境。免棱鏡全站儀是在傳統(tǒng)全站儀和免棱鏡測距儀的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型全站儀。免棱鏡全站儀的主要特點(diǎn)是能夠借助不配套的反射棱鏡進(jìn)行工作。

1.2 免棱鏡全站儀使用前景

測量工作是各項(xiàng)建設(shè)工程十分重要的工作環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的使用配套棱鏡的全站儀測設(shè)方法在實(shí)際測量中會遇到各種難題。比如，由于地形環(huán)境或某些特殊情況，導(dǎo)致實(shí)際測量過程中不能到被測點(diǎn)安置棱鏡，對測量工作帶來了困難，也無法發(fā)揮全站儀的所有性能。免棱鏡全站儀問世后，解決了傳統(tǒng)全站儀無法解決的各種難題，為各項(xiàng)建設(shè)工程的測量作業(yè)帶來了更好的工作體驗(yàn)及測設(shè)結(jié)果，降低了測量工作量，減少了作業(yè)人員配置，節(jié)約了大量的人力，物力和財(cái)力，顯著減少開支及提高效率。

2 免棱鏡全站儀測距原理

免棱鏡測距作為一種新型的測量方式，是利用免棱鏡全站儀發(fā)射測距激光照射被測物體表面后根據(jù)反射結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。在公路工程滑坡、基坑變形監(jiān)測、橋梁特殊監(jiān)測及道路中線測設(shè)中發(fā)揮著重要作用，大大降低了作業(yè)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性，保障了施工過程的安全，以其不擾動(dòng)被測物體作為一定保護(hù)。

假設(shè)欲測量某段距離D，將儀器假設(shè)于測設(shè)點(diǎn)，調(diào)試儀器進(jìn)行水平對中。照準(zhǔn)部發(fā)射的激光由起始位置至被測物體，經(jīng)被測物體表面反射后激光束進(jìn)行折返，設(shè)光速c為已知條件，激光光束在某待測距離D上所測設(shè)折返傳播的時(shí)間t已知。則待測距離D可計(jì)算為：

D=c×t/2 （1）

式中：c=c0/n；c0——真空中的光的傳播速度，其數(shù)值近似為300 000 000 m/s；n——在各類條件如大氣折射率、光波長、測設(shè)時(shí)的氣溫t、大氣壓強(qiáng)P以及實(shí)際測設(shè)濕度e有著密不可分的關(guān)系。其精度結(jié)果主要取決于使用免棱鏡全站儀測量時(shí)的各類測設(shè)條件。根據(jù)相關(guān)測設(shè)規(guī)范，精度應(yīng)保持在±1 cm之間，測設(shè)時(shí)長計(jì)算要求精確到6.7×10?11 s，在實(shí)際的操作中較難把握，因此在當(dāng)下實(shí)際使用過程中多采用間接法來進(jìn)行測量。間接法主要有以下兩種方式。

2.1 脈沖法

脈沖法測距就是直接測定儀器所發(fā)射的脈沖信號往返于被測距離的傳播時(shí)間，從而得到待測距離。由光電脈沖發(fā)射器發(fā)射出一束光脈沖，經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)投射到被測目標(biāo)。與此同時(shí)，由棱鏡取出一小部分光脈沖送入光電接收系統(tǒng)，并由光電接收器轉(zhuǎn)換為電脈沖（稱為主脈沖波），作為計(jì)時(shí)的起點(diǎn)。從被測目標(biāo)反射回來的光脈沖也通過光電接收系統(tǒng)后，由光電接收器轉(zhuǎn)換為電脈沖（也稱回脈沖波），作為計(jì)時(shí)的終點(diǎn)，如圖1所示?？梢姡髅}沖波和回脈沖波之間的時(shí)間間隔是光脈沖在測線上往返傳播的時(shí)間t2D，而t2D是通過計(jì)數(shù)器并由標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖振蕩器不斷產(chǎn)生具有時(shí)間間隔（t）的電脈沖數(shù)n來決定的[3]。

2.2 相位法

由全站儀照準(zhǔn)部內(nèi)部的光學(xué)儀器發(fā)出激光測距光速，測出該激光光速在測試線路上往返的相位移，以測定待測距離D的對應(yīng)數(shù)值。紅外光電測距儀常用的測設(shè)方法為相位法[4-5]。在砷化镕（GaAs）發(fā)光二極管上加了頻率為f的交變電壓（即注入交變電流）后，它發(fā)出的光強(qiáng)就隨注入的交變電流呈正弦變化，這種光稱為調(diào)制光。全站儀在起始點(diǎn)發(fā)出的光束在待測距離D上往返傳播，經(jīng)棱鏡反射后被照準(zhǔn)部接收，然后對其光束信號及波長用相位法進(jìn)行比較核準(zhǔn)，從而得到相位移[6]。如圖2所示。

3 測試項(xiàng)目及結(jié)果分析

為了研究儀器的測距精度，全面地了解測距性能各項(xiàng)指標(biāo)，科學(xué)地統(tǒng)計(jì)分析并進(jìn)行比較不同因素及環(huán)境條件下的測試結(jié)果，所以設(shè)計(jì)了以下全面檢驗(yàn)該儀器測距精度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：包括各種測試顏色在不同測距條件下的精度分析、傳統(tǒng)測設(shè)與免棱鏡測設(shè)方法中絕對精度、標(biāo)稱精度的分析、激光射入角度差異對測距精度的影響分析等。該次實(shí)驗(yàn)主題主要是借助棱鏡測距結(jié)果的平均值作為一個(gè)參考指標(biāo)，然后對各項(xiàng)不同條件因素下實(shí)驗(yàn)得出的測距結(jié)果作觀測均值方差計(jì)算的分析比較。從規(guī)范要求及施工實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看，方差測值與測設(shè)精度并沒有直接絕對的影響關(guān)系，但是能夠從中獲取更重要的數(shù)據(jù)分析信息，從而得出一些有價(jià)值的結(jié)論，提供給實(shí)際工作作為參考實(shí)例。

3.1 不同顏色在不同距離下的測距精度分析

該次選取8種材質(zhì)相同但是顏色不同的紙片在不同距離30 m、60 m、90 m（此三點(diǎn)上的標(biāo)記位置與實(shí)驗(yàn)1一致）上進(jìn)行測距記錄并進(jìn)行結(jié)果分析。由于是在相同測站與相同距離的標(biāo)志上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，故不需要重新進(jìn)行一次棱鏡模式測距。各段棱鏡測量平均值直接采取相關(guān)已測得的合格數(shù)據(jù)，將免棱鏡全站儀架設(shè)在三個(gè)不同距離的測設(shè)點(diǎn)對各顏色的測試紙片進(jìn)行觀測，結(jié)果見表2。

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，以上顏色在進(jìn)行免棱鏡測距時(shí)，在近距離的情況下，還是相對穩(wěn)定的，但是到達(dá)60 m之后藍(lán)色、綠色和黑色就無法測距，因?yàn)楸旧眍伾垂庀禂?shù)太弱的影響。綜上分析得出白色的內(nèi)符合精度最高，在實(shí)際工程測量中，應(yīng)盡量避免對顏色較深的進(jìn)行免棱鏡測距。

3.2 儀器絕對精度與標(biāo)稱精度的比較

為了驗(yàn)證儀器的免棱鏡模式下測距精度的穩(wěn)定性，故進(jìn)行此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。在上述實(shí)驗(yàn)中可已經(jīng)得出白色紙片的內(nèi)符合精度較高，故實(shí)際測量時(shí)的絕對精度（免棱鏡模式）使用白色紙片，測設(shè)距離隨機(jī)產(chǎn)生，對比傳統(tǒng)棱鏡測量模式下，與采用免棱鏡測量方法進(jìn)行比較，在隨機(jī)測設(shè)距離條件下，測設(shè)精度分析結(jié)果見表3。

從表3顯示的數(shù)據(jù)得出，通過免棱鏡全站儀與傳統(tǒng)測設(shè)方式的使用對比可以看出，兩者的精度是滿足規(guī)范要求的。在實(shí)際測設(shè)中，發(fā)現(xiàn)免棱鏡全站儀隨著距離的增大，其方差與之形成正比關(guān)系，從表3中的數(shù)據(jù)得出，在使用免棱鏡全站儀時(shí)，精度與距離D成反比關(guān)系。

3.3 不同入射角對測距精度的影響

在實(shí)際施工中進(jìn)行測量時(shí)，對于一些人員不方便到達(dá)假設(shè)棱鏡的特定條件下，需進(jìn)行免棱鏡測設(shè)。因現(xiàn)場工作環(huán)境影響，在實(shí)際架設(shè)測站過程中，激光光速常常與被測物體存在測設(shè)角度不統(tǒng)一的情況[7-8]。根據(jù)激光反射光斑角度不同，將會造成返回光束有所衰減從而影響測設(shè)精度。所以在此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，選擇一個(gè)多路徑效應(yīng)影響可以忽略的開闊場地，在距離測站適當(dāng)距離的地面上做好一個(gè)十字形標(biāo)記，并以標(biāo)記中心為原點(diǎn)在旁邊標(biāo)出各角度點(diǎn)記號，首先，先用棱鏡放置在做好的標(biāo)記上，用棱鏡模式進(jìn)行測距20次，取平均值作為此次比較測量的基準(zhǔn)。然后再以標(biāo)記為原點(diǎn)角度分別為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°處放置白色紙板進(jìn)行測距精度比較，其結(jié)果如表4所示。

從表4中的數(shù)據(jù)分析可以看出，激光射入的測量角度對其測量精度的影響較為重要，隨著激光光束射入角度的不斷增加，測設(shè)顯示的精度存在明顯下降的趨勢。角度越大，其精度越低，甚至無法獲得測量結(jié)果，因此在使用免棱鏡方式測設(shè)過程中，應(yīng)該避免出現(xiàn)上述情況而導(dǎo)致獲得錯(cuò)誤的測量數(shù)據(jù)，影響施工進(jìn)度[9]。

4 結(jié)論

根據(jù)3.1項(xiàng)目測試結(jié)果可以得出，免棱鏡全站儀在實(shí)際公路工程施工測設(shè)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)避免顏色較深的反射面進(jìn)行測設(shè)，結(jié)合3.2項(xiàng)目測試結(jié)果，在公路工程實(shí)際施工測試應(yīng)用時(shí)，測試距離應(yīng)避免大于40 m；結(jié)合3.3項(xiàng)目測試結(jié)果，在公路工程實(shí)際施工測試應(yīng)用時(shí)，應(yīng)避免激光入射角度過大而造成測設(shè)精度較低。綜上，在公路工程實(shí)際施工應(yīng)用過程中，應(yīng)對實(shí)際反射面的顏色深淺、測設(shè)距離、激光入射角所造成的精度指標(biāo)進(jìn)行綜合研判及獲取。

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