罗盛愿
海南公路工程有限公司
摘 要： 为了满足公路工程施工中各种测量任务的需要，提高工作效率，并为施工人员及工程标的物提供安全保障，各种先进的、现代化的测量仪器便相继问世，并以其优越的特性广泛应用于实际工作中。免棱镜的发展是在全站仪结合光电测距的基础上建立起来的。免棱镜全站仪以其特殊的测量工作模式，使其在工作环境中测量一些特殊点和危险点方面显示出极大的优越性，解决了传统全站仪需要架设棱镜测量方法难以解决的问题。文章介绍了全站仪在免棱镜条件下的各项性能测试，得出了一些对公路工程施工有参考意义的数据和结论。
关键词： 免棱镜全站仪;公路工程;测距性能;精度分析;
作者简介： 罗盛愿（1990—）,女,本科,工程师,二级建造师（公路工程）,研究方向：道路与桥梁施工。;
0 引言
全站仪全称为全站型电子速测仪（Electronic Tachometer Totalstation）。全站仪的出现对现代测量工作有着质的推动，改变了传统的测量模式，对测绘行业影响深远[1]。尤其在近几年，许多工程领域行业常用免棱镜全站仪作为主要测设仪器，这是实际施工现代化发展的必然结果。从测试方式、使用范围和环境来看，全站仪已成为较主流的使用设备。免棱镜全站仪具有测速快、测距远、高效率、使用方便和安全性能稳定等优点。因为其特殊测距模式的优越性，使其不单单应用在传统的测量任务上，在数字化测图、边坡测量、公路测量、桥梁测量以及隧道监测等方面也有着广泛应用，甚至还应用于大型工业生产、设备构建对接、调试作业、交通工具设计、大型水库监测及大型体育设施等领域[2]。该文重点测试免棱镜全站仪在公路工程实际施工环境条件下的使用情况，并在应用范围、使用环境、测试条件及精度结果方面做出分析论证。
1 免棱镜全站仪的发展及使用前景
1.1 免棱镜全站仪发展概括
随着施工测量方式的不断进步，新的技术模式运用在测绘仪器的设计生产上，从而使全站仪具有了更加完善的性能，以应对当今巨量的测量任务以及复杂的测量环境。免棱镜全站仪是在传统全站仪和免棱镜测距仪的基础上发展而来的一种新型全站仪。免棱镜全站仪的主要特点是能够借助不配套的反射棱镜进行工作。
1.2 免棱镜全站仪使用前景
测量工作是各项建设工程十分重要的工作环节之一。传统的使用配套棱镜的全站仪测设方法在实际测量中会遇到各种难题。比如，由于地形环境或某些特殊情况，导致实际测量过程中不能到被测点安置棱镜，对测量工作带来了困难，也无法发挥全站仪的所有性能。免棱镜全站仪问世后，解决了传统全站仪无法解决的各种难题，为各项建设工程的测量作业带来了更好的工作体验及测设结果，降低了测量工作量，减少了作业人员配置，节约了大量的人力，物力和财力，显著减少开支及提高效率。
2 免棱镜全站仪测距原理
免棱镜测距作为一种新型的测量方式，是利用免棱镜全站仪发射测距激光照射被测物体表面后根据反射结果进行计算。在公路工程滑坡、基坑变形监测、桥梁特殊监测及道路中线测设中发挥着重要作用，大大降低了作业强度和危险性，保障了施工过程的安全，以其不扰动被测物体作为一定保护。
假设欲测量某段距离D，将仪器假设于测设点，调试仪器进行水平对中。照准部发射的激光由起始位置至被测物体，经被测物体表面反射后激光束进行折返，设光速c为已知条件，激光光束在某待测距离D上所测设折返传播的时间t已知。则待测距离D可计算为：
式中：c=c0/n;c0——真空中的光的传播速度，其数值近似为300 000 000 m/s;n——在各类条件如大气折射率、光波长、测设时的气温t、大气压强P以及实际测设湿度e有着密不可分的关系。其精度结果主要取决于使用免棱镜全站仪测量时的各类测设条件。根据相关测设规范，精度应保持在±1 cm之间，测设时长计算要求精确到6.7×10-11 s，在实际的操作中较难把握，因此在当下实际使用过程中多采用间接法来进行测量。间接法主要有以下两种方式。
2.1 脉冲法
脉冲法测距就是直接测定仪器所发射的脉冲信号往返于被测距离的传播时间，从而得到待测距离。由光电脉冲发射器发射出一束光脉冲，经发射光学系统投射到被测目标。与此同时，由棱镜取出一小部分光脉冲送入光电接收系统，并由光电接收器转换为电脉冲（称为主脉冲波），作为计时的起点。从被测目标反射回来的光脉冲也通过光电接收系统后，由光电接收器转换为电脉冲（也称回脉冲波），作为计时的终点，如图1所示。可见，主脉冲波和回脉冲波之间的时间间隔是光脉冲在测线上往返传播的时间t2D，而t2D是通过计数器并由标准时间脉冲振荡器不断产生具有时间间隔（t）的电脉冲数n来决定的[3]。
图1 脉冲式 下载原图
2.2 相位法
由全站仪照准部内部的光学仪器发出激光测距光速，测出该激光光速在测试线路上往返的相位移，以测定待测距离D的对应数值。红外光电测距仪常用的测设方法为相位法[4,5]。在砷化镕（Ga As）发光二极管上加了频率为f的交变电压（即注入交变电流）后，它发出的光强就随注入的交变电流呈正弦变化，这种光称为调制光。全站仪在起始点发出的光束在待测距离D上往返传播，经棱镜反射后被照准部接收，然后对其光束信号及波长用相位法进行比较核准，从而得到相位移[6]。如图2所示。
图2 相位法 下载原图
3 测试项目及结果分析
为了研究仪器的测距精度，全面地了解测距性能各项指标，科学地统计分析并进行比较不同因素及环境条件下的测试结果，所以设计了以下全面检验该仪器测距精度的实验项目：包括各种测试颜色在不同测距条件下的精度分析、传统测设与免棱镜测设方法中绝对精度、标称精度的分析、激光射入角度差异对测距精度的影响分析等。该次实验主题主要是借助棱镜测距结果的平均值作为一个参考指标，然后对各项不同条件因素下实验得出的测距结果作观测均值方差计算的分析比较。从规范要求及施工实际经验来看，方差测值与测设精度并没有直接绝对的影响关系，但是能够从中获取更重要的数据分析信息，从而得出一些有价值的结论，提供给实际工作作为参考实例。
3.1 不同颜色在不同距离下的测距精度分析
该次选取8种材质相同但是颜色不同的纸片在不同距离30 m、60 m、90 m（此三点上的标记位置与实验1一致）上进行测距记录并进行结果分析。由于是在相同测站与相同距离的标志上进行实验，故不需要重新进行一次棱镜模式测距。各段棱镜测量平均值直接采取相关已测得的合格数据，将免棱镜全站仪架设在三个不同距离的测设点对各颜色的测试纸片进行观测，结果见表2。
表2 不同颜色纸片在不同距离下的测距精度结果分析 下载原图
从表2中的数据可以看出，以上颜色在进行免棱镜测距时，在近距离的情况下，还是相对稳定的，但是到达60 m之后蓝色、绿色和黑色就无法测距，因为本身颜色反光系数太弱的影响。综上分析得出白色的内符合精度最高，在实际工程测量中，应尽量避免对颜色较深的进行免棱镜测距。
3.2 仪器绝对精度与标称精度的比较
为了验证仪器的免棱镜模式下测距精度的稳定性，故进行此项实验。在上述实验中可已经得出白色纸片的内符合精度较高，故实际测量时的绝对精度（免棱镜模式）使用白色纸片，测设距离随机产生，对比传统棱镜测量模式下，与采用免棱镜测量方法进行比较，在随机测设距离条件下，测设精度分析结果见表3。
表3 绝对精度与标称精度实验结果分析 下载原图
从表3显示的数据得出，通过免棱镜全站仪与传统测设方式的使用对比可以看出，两者的精度是满足规范要求的。在实际测设中，发现免棱镜全站仪随着距离的增大，其方差与之形成正比关系，从表3中的数据得出，在使用免棱镜全站仪时，精度与距离D成反比关系。
3.3 不同入射角对测距精度的影响
在实际施工中进行测量时，对于一些人员不方便到达假设棱镜的特定条件下，需进行免棱镜测设。因现场工作环境影响，在实际架设测站过程中，激光光速常常与被测物体存在测设角度不统一的情况[7,8]。根据激光反射光斑角度不同，将会造成返回光束有所衰减从而影响测设精度。所以在此项实验中，选择一个多路径效应影响可以忽略的开阔场地，在距离测站适当距离的地面上做好一个十字形标记，并以标记中心为原点在旁边标出各角度点记号，首先，先用棱镜放置在做好的标记上，用棱镜模式进行测距20次，取平均值作为此次比较测量的基准。然后再以标记为原点角度分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°处放置白色纸板进行测距精度比较，其结果如表4所示。
从表4中的数据分析可以看出，激光射入的测量角度对其测量精度的影响较为重要，随着激光光束射入角度的不断增加，测设显示的精度存在明显下降的趋势。角度越大，其精度越低，甚至无法获得测量结果，因此在使用免棱镜方式测设过程中，应该避免出现上述情况而导致获得错误的测量数据，影响施工进度[9]。
表4 不同入射角测距精度结果分析 下载原图
4 结论
根据3.1项目测试结果可以得出，免棱镜全站仪在实际公路工程施工测设应用时，应避免颜色较深的反射面进行测设，结合3.2项目测试结果，在公路工程实际施工测试应用时，测试距离应避免大于40 m；结合3.3项目测试结果，在公路工程实际施工测试应用时，应避免激光入射角度过大而造成测设精度较低。综上，在公路工程实际施工应用过程中，应对实际反射面的颜色深浅、测设距离、激光入射角所造成的精度指标进行综合研判及获取。
参考文献
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