浅析免棱镜全站仪测距精度分析_余兵

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浅析免棱镜全站仪测距精度分析

深圳市长勘勘察设计有限公司 余兵

摘 要：免棱镜全站仪在测量工程应用十分广泛，本文就免棱镜全站仪测距相关问题进行分析，重点详细分析了免棱镜全站仪测距实测精度分析，分别就材质、色彩、绝对精度、反射面透明度，以及激光束对网孔的穿透试验进行分析。

关键词：全站仪 免棱镜全站仪 测距原理 测距精度

全站仪是一种集光电、计算机、微电子通讯、精密机械加工等高精尖技术于一体的先进测量仪器。免棱镜全站仪是其中典型的代表。

免棱镜全站仪测距方法有两种:脉冲法和相位法。免棱镜全站仪的种类繁多，但测距结构基本相似，这里以徕卡TCR系列仪器为例，介绍免棱镜全站仪的测距结构。

TCR系列的测距仪中有两个发射管，一个是用于测量反射棱镜或反射板的红外激光发射管，它发射的波长为780nm，用单棱镜可测3km，精度达到10-6D)；另一个是用于

免棱镜测量的红色激光发射管，它发射的波长为670nm，不用棱镜可测80m，精度达到± (3mm+2×10-6D )。这两种测量模式的转换可通过仪器键盘上的操作控制内部光路来实现。而且，两种测距方式的不同的常数改正会自动修正到测量结果上。

免棱镜测距(Reflectorless )，又称作无接触(Noncontact )测距，指的是全站仪发射的光束经自然表面反射后，直接测距。测距误差可分为两部分：一部分是与距离D成正比的误差，即光速值误差，大气折射率误差和测距频率误差；另外一部分是与距离无关的误差，即测相误差、加常数误差和对中误差。周期误差有其特殊性，它与距离有关但不成比例，仪器设计和调试时可严格控制其数值，实用中如发现较大而且稳定，可以对测距成果进行改正，这里暂不顾及。故一般测距精度表达式为：

mD=±(A+B D)

式中A为固定误差；B为比例误差系数；D为被测距离。

为了真正获得目前市场上免棱镜

±（2mm+2 ×

全站仪在免棱镜模式下的测距性能。本文利用托普康GPT 3002全站仪进行了免棱镜条件下的多种情况测距性能测试，了解和评价各仪器的性能指标。下面对于实验结果进行简单介绍和总结。

首先，对于不同材质对测距精度的影响来说。几种介质的内部精度相差不大。说明激光束在上述几种介质表面反射时是稳定的。在以上几种反射介质中，泥土和红砖的粗糙程度比瓷砖、白纸和白铁片的明显大很多，试验结果表明：只要反射物体足够稳定，物体表面的粗糙程度对测量数据的离散程度的影响并不明显。另外，灰色瓷砖和红砖的内部精度相对差些，从颜色上来分，灰色和红色的灰度较大，即颜色较深。为了验证颜色的区别对测量精度的影响。采用相同材质的不同颜色的介质对上述假设进行验证。

其次，对于不同色彩对测距精度的影响来说，淡绿、黄、深红三种颜色的内符合精度相比较其他几种颜色稍微差些。白色、蓝色、粉红三种颜色的内符合精度稍高些。黑色几乎没有什么信号返回。但从“与棱镜测值差值”这绝对精度指标来看，似乎(除了黑色)又没有大的区别。大概可以得出:颜色越浅反射信号越强。但还有其他的因素影响测距的精度，考虑表试验中出现的灰色瓷砖和红砖的内部精度相对差些的现象，正好验证了“颜色越浅反射信号越强”的结论。

第三，绝对精度实验。为了得到不同材料物体在免棱镜测距下的测距绝对精度，选取常见的几种物体进行试验。实验数据数据可以发现玻璃介质反射面的差值10mm比其他材料反射面的差值大了很多，差值超出了误差的范围。发

生这种情况的原因可能是激光束穿透了玻璃从玻璃后面的物体进行反射了。

第四，反射面透明度对测距精度的影响。为了验证上述假设的正确与否，选取玻璃和半透明的塑料玻璃材质，验证透明物体的激光束穿透性质。对于不完全透明的物体所测得的距离比实际距离小，这是因为激光束没有完全穿透，激光束分别从不完全透明物体和白铁片两个反射面反射。所得到的距离是它们分别与仪器之间距离的一个加权平均值。值得注意的是完全透明物体反射所得到的距离比实际距离还要长，这是因为激光束穿透了完全透明物体后，反射回来时，光束在不同介质之间发生折射和光速发生了变化的双重结果，这两种结果都使得光传播时间的增加，从而造成测量所得距离比实际距离长的结果。

第五，激光束对网孔的穿透试验。在实际工程应用种，可能会碰到所测的物体前面有网状物体或是需要测量在一些狭窄缝隙中的目标。由于免测距是采用激光束的漫反射来测距的，所以激光束的光斑大小也是影响测距精度的重要因素。当孔径直径为30mm时，实际测量得到的距离和使用棱镜测量得到的距离相差22mm，所以，可以得出在50米范围内，激光束的光斑大小大于仪器标称的15mm×30mm，当孔径直径为50mm时，差值为4mm，此时可以认为激光束完全通过圆孔。在50米的距离上仪器标称的无棱镜测量条件下，光斑大小为：15mm×30mm的椭圆。为了验证仪器的标称和实际测量时候的差距。选用直径分别为5mm, 10mm, 15mm, 20mm, 30mm, 50mm的圆孔，进行激光束光斑大小的验证试验。

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