精密激光测距仪ME500O基本原理及微机辅助扩展测程初探
精密激光测距仪ME500O基本原理及微机辅助扩展测程初探
孔祥无 郭际明.
一、精密测距仪MES000的主要特点
精密铡距仪ME 5000是在MekometerME3000基础上改进和完善的新产品(测距标称精度0.2mm+0.2ppmD,测程20~8000m)。两者虽同属相位武测距仪类,但有其本质的区别。我们知道,ME3000用氙灯光源并在固定调制波长下工作,不到一个精测尺长的距离尾数是用光学一机械方法改变机内的可变光路来确定的,距离的多值性是采用多个具有确定关系的频率来加以解决,并在仪器内部设置标准空腔谐振器, 自动顾及测站气象改正,所测距离是实际斜距。与之相比,/~iE5000~具有如下新特点:
1.光源采用了功率较高的氦一氖激光器, 宦产生632.8xun的偏振光作载波, 因此测程明显增大。在15kin能见度下,单棱镜、三棱镜其测程依次达skm和8kin,且结构简单。
2.采用了变频灏f距原理和方式,即仪器通过一定步频依序改变调制频率和波长, 直至使距离成为半调制波长的整数倍。因此只要能准确地测出这时的零点频率, 定会有很高的分辨力, 以使测距达到高精度。
3.{贝l距仪显示的距离是仪器设计的、在参考气象条件下的距离,实际距离必须通过相应的气象改正公式, 用微机在外部另行计算,从而克服了ME3000为保证不同气象条件下的波长不变所遇到的许多困难。
4.MES000使用机内的微机控制系统和相应计算程序系统, 使测量过程全自动化,设有半)~IASCII码单总线接口, 按ASB代码与外部电子手薄ALPHACORd或袖珍微机联接, 实现数据的自动记录及后续数据处理自动化。
5.可用外部袖珍微机控制测距,使规定的测程得到有效扩展。
上述所有这些新特点使其具有结构简单,操作方便以及测程远、测距精度高等优越性。它可在精密工程测量(如精密工程控制网建立, 设备安装, 变形观测等)、大地测量(如地壳形变测量、高等级大地网起始边的测定、对GPS所测成果的校准等) 以及长度基准的建立和传递等诸多精密测量工作中发挥作用。
二、MES000测距基本原理
精密测距仪MES000是变频式测距仪,故其测距原理是建立在变颊测距原理和方式基础上 由频率合成器产生470~500MHz的调制频率在带宽15MHz范围内 由微处理器控制,阻确定的固定额率161.714z依序变化,直至使被测距离成为半调制波长整数倍。
由此可见,在MES000中如何准确浏出各零点频率是实现高精度铡距的关键。下面简要探研该仪器精密赖0频以致精密测距的基本原理 -由于极值光强对距离变化不是很敏感,因此试图通过测定极值光强, 以测定相对应的额率就无法满足测距的高精度要求。为克服此缺点, 采用了所谓等光强信号测相法,即利用摆频器产生2k}k并具有一定额移量P的正弦形信号对比较频率f进行频率调{日 , 以使落到调制器上的调制电压是正弦频率调制电压,在光吸蛔器一检诲二钕管A日处,光强信号变化图形有以下兰种辫截悔况。
比较塌 变 有橇渡二撮麓入n烛光强振幅的不等,所不f耳舶疆,第一种情提光强最大和最小疽相应发生在(, + )粕(,中.一41)处J而尊三种谛况卿』棍厦。最有意强的是茸=稚 困 所毒示酌f黉 ,它橱当于,申=,和在这种情况下,. 巍比较凝率鼙颇 率调制时将产生4kl 慧锑 强信号,这藏是测距仪要寻找的基本31作状态一零位。非此状态,测距仪通过南瓤逻辑电路和计算控制单元算出振幅差,进耐算地纠偏电压的极性耜大小,对比较频率再进行胡制,直到实现上述状态为止 由于强 鼹向P嗽颓率合成器之间的相关参数美系及托它光路转换关系,使得不同距离时, 最小点附近处光强变化曲线坡度不一样,短距离耍钝一些,长距葵陡一些,因此为提高测定『雩的精度,必使a、b点部处在光强变化曲线的最睫处,并保证接收二极营不过载。为此,对短矩(<50狮)需置频移凸 =±25tH j对长距(>5OOm)作为零点频率的准确值。
ME 5000通过内部设有的一整套自动控制测量系统和程序系统自动完成上述零点频率的测定及其它测量工作。在接通仪器后,自动打开激光,通过自动测量程序使频率合成器安置确定的初始频率,然后进行零点和零点频率的自动探铡和测量。先进行粗测,即调制频率按预定的较大步频进行调节, 直到第1个点被发现 为准确地澳 定零点频率,必须再利用许多个太子或小于零点频率的频率进行精测。取其权中数作为该点频率的精确值并争储存。此后,仪器再对第2个零点同样进行租潮和精测,取得第2个零点构精确频率。但为了提高频率铡定的精度 仪器的自动澳f量程序将分剐在带宽为15MH主前有效频率变化范围的中点和终点各做一次粗澍粕精测。
三、微机控制MES000作测程扩展
1.1.ⅥE5000的测程
对于长测程的确定是这样考虑的。我们知道, 相邻两零点频率差将随着距离增大,变得越来越小 但铡程增大时, 大气抖动影响将愈来愈严重,将使零点飘忽不定,难于准确探铡零点和诞出零点频率。
由此可见, 当距离1Okra时,凑整误差将在0.5以上, 此时将不可能正确地凑整。因此, 为确保精确地长程测量, 宜把MESO00的最大溅程定为8kin。综上述、对ME5000测距仪,测程在5~1om范围,不能靠仪器本身解决多值洼问题,因面无法进行颡9距l当10~20m铡程时,有两个零点频率可以测定, 故从原理上可进行测距,但该仪器是在三个零点频率基础上进行工作的,因此在这钡4程内也不容易用仪器内部程序完成测距任务,20~8000m距离是该仪器的有效测程}对大于8km的距离,因大气抖动可能影响到零点频率的准确测定,进面影响整波数的确定, 故在此情况下,也不能依靠仪器1只铡三个零点频率进行测距。据上特点,就完全可能利用袖珍微机(如Hx一20)按ASB编码编制相应的测量控制程序 来增补或代替仪器内部某些测量程序辅助MES000测距, 以达到扩展测程的目的。
2. 用Hx一2O控制MEG000测量6~10m距离
对5-ci0m短距离,其概值很易量得,若再用Hx一20控制MEsO00溯得一个零点频率的准确值, 则可根据距离概值求出半波长的整数倍,再乘以半波长的准确值, 即可得到精确的距离值。加常数置的大小可俄(一0.2+预置值)取得, 其预置值可从仪器加常数“开关 上查取。也可根据正常测量情况下(20~8000m)的距离观测值同剃用零点频率求得的光路长度比较得到。
用HX一2O控制MES000澍量5~10m距离时,XH-20的测量控制程序为-① 接通电源f②调制器频率的标定l③设置零点扫描滞留额率}④ 去调信号中断} ⑤ 设置减光设备}.⑥打开激光器},⑦照准棱镜,使信号适当,⑤ 零点频率探测l⑧ 关闭激光器}@记录零点额率,@戋闭电源’@输A距离概值,@求得精确距离值。
此怯的特点是要预先l知道距离概值。由于概值是为计算半波长整数倍用的,在ME5000调制频率范国内的半波长约为0.3m,为保证整数计算的准确性,需保证凑整误差小于0.5,为此规定距离概值的精度为0.1m巳足够, 这个精度要求, 用钢尺量距是容易迭到的。因此,从原理上讲只要预先知道最大误差不大于O.】m的更长的距离,用术法也是完全可以进行精密测距的。
3. 甩Hx一2O控制M'ES000~,]量10~20m距离上巳指出, 在这种情况下,在15,ViHz的频宽范围内仍有两个零点, 为了能继续利用仪器内部自动测量程序进行测距,首先必须用Hx一2O控制ME5000去掉自动信号中断步,又因短距离时零点的光强变化曲线较钝,为精确探出零点位置, 需将零点扫描滞留频辜范围加大· 比如设置到±61kHz。
用Hx一20控制ME5000测量10~20m 距离时,HX-20~量控制程序步与2基本相同。
4.用HX-20控制MES000测量20~8000m 距离
20~8000m爱ME5000~标准鲫量距离,此时既可用使嚣内部测量程序、也可用暇一2岫 控制程序进行涮甄一般地说,在20~1000m距离,则完垒可以用内部测量程序,而超过1km至8km距离段, 由于距离较长,受气象困素鼍;响较大,可采用测得多个零点频率闻接求榻距离。如我们用该法宴测_:距离,共强9得n 个零点频率求得的距离为3428.7789m,由仪器内帮 量程序溅,得的距离为3428-.7,7M 垃该说, 前者较后者只据3个零点求得距离的精度高
5. 甩HX一2O控制ME5OO0沁量8km;1上距离当距离大于8kin时,在15M 矗的炳宽范围内将有许多零点。
因此 用HX-20控制hiES000测量大于8kml/l~离时,I-IX-20谢量控制程序步为:④ ~ ③ 回2}④ 去掉减光设备I⑤ 打开激光器,⑥照准棱镜,使信号最强j⑦零点频率探测;④ 记录零点频率}⑤ 设置频率合成器频率值}
⑩ 从⑥步循环,直到测得足够多的零点频率,并用回归计算方法,精确求得, 和Af!@计算距离。由于设备条件限制(主要是没有足够多的反射棱镜 ,这一试测工作尚未进行,据文献[23报导, 利用18块棱镜,MES000测程可扩展到17.23kin。由上可见, 精密测距仪MES(}.00由于采用高频变频调制和等值光强自动词I频技术,使其具有操作简便和精度高等优点I用本文介绍的被珍微机(如lⅨ 一20)辅助ME5000测量可使其测程得到有效扩展,这对特种精密测距工作有重要实用价值。
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