无反射棱镜全站仪及其性能测试分析

　　摘要：本论文首先简单介绍了无反射棱镜全站仪的基本原理和功能，并以徕卡TCRA1102和TCR110全站仪为例，对该两台仪器无反射棱镜测距的精度进行了测试分析。得出了，不同被测目标特性、不同反射角度与测距精度的关系，并进行了边缘点测距精度试验和激光束对网孔的穿透试验。
　　关键词：无反射棱镜全站仪；性能测试；精度
　　
　　1引言
　　1990年WILD推出DIOR3002无反射镜测距仪,实现了无需反射棱镜或反射片配合的无反射镜测距仪随后,Leica,SOK2KISA,TOPCON,NIKON和Pentax也相继推出了无反射镜全站仪。无反射棱镜全站仪的优势在于不接触被测点就可获得被测点的三维坐标。既省去了作业员跑镜之苦又降低了劳动强度，也能避开危险性场所可能对人员造成的伤害。
　　随着无反射棱镜全站仪应用的普及,进行无反射棱镜全站仪及其性能测试分析研究将具有十分重要的科研价值和现实意义。
　　2无棱镜测距的精度分析
　　2.1不同实际材质对测距精度的影响
　　1）测试方案。用徕卡TCA2003进行距离标定，在一平整场地上,分别对不同材质的物体进行观测,每一种材料连续观测10次,物体与仪器的实际间距用棱镜测出。
　　2）测试结果分析
　　表2-1不同材料测距结果分析表
　　材
　　
　　料
　　 测值最
　　大差
　　值/mm
　　 内符合精度
　　/mm
　　 外符合
　　精度
　　/mm
　　 测距均
　　值
　　/mm
　　
　　白色瓷砖 2 ±0.3 ±1.7 24.986
　　灰色瓷砖 3 ±0.4 ±2.3 24.986
　　白色铁皮 3 ±0.3 ±2.3 24.986
　　白纸 4 ±0.3 ±2.4 24.981
　　混泥土墙 4 ±0.6 ±4.6 24.988
　　红砖 5 ±0.3 ±4.6 24.988
　　泥土 6 ±0.3 ±4.4 24.988
　　木质材料 2 ±0.4 ±2.0 24.984
　　树皮 6 ±0.4 ±4.7 24.989
　　从表2-1可以看出，几种材料测量结果的内部符合精度相当。说明激光束在上述几种材料表面的反射是稳定的。
　　2.2不同色彩对测距精度及距离的影响
　　1.）测试方案。首先在室外不同于1号点为观测基准站的距离选取点（2、3、4）上，用高精度的全站仪（TCA2003）进行距离标定，每个点使用棱镜测距10次，取平均值作为标准距离。然后分别测量各种颜色材料在同一位置的距离10次。
　　2.）测试及结果分析。从测试结果可以看出，在有效的测距范围内，徕卡TCRA1102大概为70m左右，TCR110大概为40m左右。除黑色材料外，几种颜色材料测值的内符合精度相当，与用棱镜测量结果的差值也相当，材料颜色对测距精度的影响不明显。但是当测量距离较远时颜色对测距结果的影响较为明显。颜色越浅，物体的反射信号越强，对测距有利。色越浅，物体的反射信号越强，对测距有利。
　　2.3不同反射角度对测距精度的影响
　　1.）测试方案。本次测试的目的是考察不同反射角度对测距的影响。因为0到90°和90°到180°的反射是等效的。所以测试试验中选择90°、75°、60°、45°、30°、15°、0°作为不同的反射角度。首先把棱镜安置在标志点上，测距10次并取平均值作为精确距离。然后依次对不同反射角度的白色纸板进行测量，测试过程中保证激光束打在纸板的中轴线上，每种反射角的物体测距10次，并取其平均值。
　　2.）测试及结果分析
　　表2-2不同反射角测量数据分析表
　　反射角
　　度数
　　
　　 测值最
　　大差值
　　
　　/mm 内符合精度
　　
　　/mm 外符合精度
　　
　　/mm 与标准距离差值
　　/mm
　　90 3 ±0.7 ±3.0 +2
　　75 6 ±0.8 ±3.1 +3
　　60 9 ±1.0 ±3.3 +5
　　45 7 ±0.8 ±8.5 +18
　　30 12 ±1.2 ±8.4 +17
　　10 - - - -
　　0 - - - -
　　从表2-2可以看出，45°是一个分界角度，当反射角度在90°到45°之间时，反射角度对测距精度影响不大。当反射角度小于45°时，测距结果与标准距离有明显差异。因此，在实际工作中应引起注意。
　　2.4反射面透明度对测距精度的影响
　　1.）测试方案。为了测试物体透明度对测距结果的影响，选取玻璃等材料来验证激光束的穿透性质。首先将白铁片放置在固定位置，并测距10次，求出平均值作为参考距离。然后将透明物体放置在白铁片前20cm处。对其测距10次，求出平均值。
　　2.）测试及结果分析
　　表2-3物体透明度对测距影响试验数据分析表
　　
　　材
　　料
　　 与标准
　　距离的
　　值/mm 测值最
　　大差值
　　/mm 内符合
　　精度
　　/mm 外符合
　　精度
　　/mm
　　透明玻璃 +6 5 ±1.0 ±8.0
　　半透明塑料 -41 4 ±0.8 ±6.2
　　双层塑料片 -60 4 ±0.6 ±5.0
　　对于不完全透明的物体所测得的距离小，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。所得距离是它们分别与仪器之间距离的一个加权平均值。
　　2.5.激光束对网孔的穿透试验
　　1.）测试方案。在无棱镜测量模式时，若目标离测站的距离为50mm则仪器标称的光斑大小为50mm*30mm的椭圆。为了验证仪器的标称和实际测量时的差距，分别选用直径为5，10，15，20，30，50的圆孔，进行激光束光斑大小的验证试验。
　　首先使用棱镜测量10次，取平均值作为实际距离。然后在棱镜到仪器之间连线的正前方10cm处放置不同直径大小的圆孔，照准圆孔中央进行测量。每种孔径大小分别测距10次，取平均值，然后与棱镜测值相比较。
　　2.）测试结果分析
　　表2-4激光束对网孔的穿透试验数据分析表
　　孔径大小
　　
　　 测值最
　　大差值
　　/mm
　　 内符合
　　精度
　　/mm
　　 外符合精度
　　/mm
　　 与标准
　　距离差值/mm
　　
　　5 3 ±0.7 ±8.9 88
　　10 3 ±0.7 ±7.9 77
　　15 4 ±1.2 ±7.5 65
　　20 4 ±0.8 ±7.0 55
　　30 5 ±1.6 ±5.8 22
　　50 4 ±1.2 ±2.2 4
　　孔径为20mm时，测量得到的距离和使用棱镜测量得到的距离相差22mm。所以，在50m范围内，激光束的光斑大于仪器标称的15mm*30mm。
　　当孔径直径为50mm时，差值仅为4mm。此时，可以认为激光束完全通过圆孔。
　　3.结论
　　根据试验测试结果和分析得到以下结论：
　　1.)在有效的测距范围内，物体表面的粗糙程度对测量数据的影响并不明显。
　　2）除特殊颜色，黑色外材料颜色对测距精度的影响不明显，但颜色越浅，物体的反射信号越强，对测距有利。
　　3）在测量物体拐角时，实际所得距离为测站到等效平面的距离，因此，实际工作中应尽量避免瞄准拐角点，特别是角度很小的尖角，其测距误差可能会很大。
　　4）反射角度在90°到45°之间时，反射角度对测距精度影响不大。当反射角度小于45°时，测距结果与标准距离有明显差异。
　　5）当仪器瞄准透明物体时，一般不能得到正确的距离值，其误差随被测物体的透明度及背景物体的距离而变化。
　　参考文献
　　【1】工程测量规范【M】技术监督局.北京：中国计划出版社，1999.
　　【2】徕卡TCRA1102全站仪使用说明书（英文）
　　【3】朱顺平，薛英，无反射棱镜全站仪及其测试U测绘通报2001
　　【4】陈永奇变形数据观测处理【M】北京：测绘出版社，1988

《无反射棱镜全站仪及其性能测试分析》

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