免棱镜全站仪测距性能的测试及精度分析.doc

地 理 空 间 信 息GEOSPATIAL INFORMATION2008 年 4 月第 6 卷第 2 期Apr., 2008Vol. 6, No. 2免棱镜全站仪测距性能的测试及精度分析夏立福 1，李井春 2，胡友健 1，孙华 1（1. 中国地质大学信息工程学院，湖北 武汉 430074；2. 武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430072）摘 要：介绍了免棱镜全站仪的基本特点和性能；对 Nikon DTM-352 免棱镜全站仪在无反射棱镜条件下的测距性能进行了多方面的测试，包括照准不同材质和不同颜色的反射目标测距、以不同的入射角（激光束与目标面之 间的夹角）测距、瞄准不同透明度的反射面测距以及对物镜加罩测距，并通过对大量的测试结果进行精度分析，得出了一 些对实际工作有参考价值的结论。关键词：免棱镜全站仪；测距性能；测试；精度分析文章编号: 1672-4623 (2008) 02-0133-03中图分类号：P241.3文献标志码: BTest and Precision Analysis of Ranging Performance ofReflectorless Total StationXIA Lifu1，LI Jingchun2，HU Youjian1，SUN Hua1（1. Department of Geomatics Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074, China；2. School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430072, China）Abstract: This paper introduces the basic features and the performance of reflectorless total station. The rangingperformance of Nikon DTM-352 reflectorless total station is tested in many ways under the condition of reflector- less, including the reflecting targets with different material property and different color, ranging in different angleof incidence，aiming reflecting planes with different transparency and measuring distance by using the model oflens with mask. Based on the precision analysis of a lot of testing results, some useful conclusions are drawn. . Key words: reflectorless total station；ranging performance; test; precision analysis免棱镜全站仪是不需要棱镜作为合作目标就可以进行测距的全站仪，是免棱镜测距技术与传统全站仪 的结合，同以往的全站仪或免棱镜测距仪相比, 免反射 棱镜全站仪具有测距速度快、测程远、效率高、使用 范围广、安全性能高等优点，因而在地籍测量、地形 测量、工程断面测量、建筑物倾斜测量等方面得到了 广泛应用。但是，由于目前我国的计量检定规程对免 棱镜全站仪还没有规定相应的检定方法,缺乏对它的新 特性的检验、测试和分析, 不利于用户对此种仪器的充 分合理的使用 3 4。本文对 Nikon DTM-352 全站仪在 免棱镜条件下的多种测距性能进行了测试和分析，旨 在了解和评价该仪器在不同条件下的性能指标，供实 际工作参考。证全站仪进行高精度、远距离测量；12 000 点内存，提供更多作业管理的记录空间, 可同时存储 32 个文件；1.6 s 快速精确测距，测角精度为 2；在 MSR 下，该仪器的测距精度为 (2+2 10-6 D) mm，TRK 模式下 的测距精度为 (3+3 10-6 D) mm 7。为较全面地 检验该仪器在不同条件下的测距精度，设计了以下试 验项目：不同材质对测距精度的影响；不同颜色对测 距精度的影响；激光入射角对测距精度的影响；反射 面的透明度对测距精度的影响；在“多路径效应”影 响很大的条件下，镜头前加罩与否对测距精度的影响。利用测试所得数据对免棱镜全站仪的测距精度进 行分析和评价时，主要采用如下精度指标 6：观测值中误差： =（1）11测试项目观测值的算术平均值中误差： =式中 v 改正数；n 观测值个数。（2）各种类型的免棱镜全站仪的测距原理及其基本功能相同。Nikon DTM-352 全站仪内部的 EDM，可以保可旋转 目 标图 1 测试不同入射角对测距精度影响的可旋转目标134地理空间信息第 6 卷第 22.3 不同入射角对测距精度的影响2测试结果与分析在此项测试中，我们选择了一个“多路径效应2.1不同材质对测距精度的影响在平坦的场地上分别对不同材质的物体进行观测， 每一种物体连续观测 30 次，物体与仪器的间距在 21 m 左右。测量结果如表 1 所示。表 1 不同材质测距结果分析影响可以忽略的开阔地点，借助于带有精确刻度的盘和可在圆盘上旋转的目标平板进行测试，如图 1 示。在测试中，固定目标圆盘并把棱镜正对仪器放 圆盘中心，照准棱镜连续测量 30 次，取平均值作为 较测量距离的基准。然后从 0 开始，每次增加 10 的转动目标平板，使激光入射角度不断变化，观察 射角对测距精度的影响，结果如表 3 所示。在激光 射角度不同的情况下，免棱镜全站仪的内符合精度观测值最大差值/mm观测值均方差/mm材质测距均值/m白色粉刷墙面大理石墙面 白铁皮 岩石白纸 棕色树皮 水泥墙面 木板21.19421.79621.22321.12621.36921.50821.72321.598112233441.31.11.11.20.91.81.31.0较稳定，而外符合精度随着入射角度的增加而降低。棱镜正对仪器时, 返回的信号最强, 测量精度也最高当反射表面与测量光有一定的入射角时,返回的信号有损失, 测量精度会受影响。在入射角大于 30 以后测距精度明显下降；当入射角在 70 左右时，反射来的信号已经非常微弱，仪器的反应时间也很长， 距精度急剧下降；入射角大于 80 以后, 仪器就不 正常测距了。综上可见，激光入射角度是影响测量 果的重要因素之一，因此在实际工程测量中应尽可 以小的入射角进行测量。从理论角度来讲，观测值均方差并不反映观测值的精度，但是能很好地代表观测值的内符合精度 2，由 此结合表 1 可以知：几种反射材料测距结果的内符合 精度相当，激光束在所选的几种材料表面的反射是稳 定的。在几种反射材料中，水泥墙面和白色粉刷墙面 的粗糙程度明显比白纸和白铁片大很多，但其内符合 精度相当。这说明，在外界环境良好的情况下，只要 物体表面有足够的反射能力且反射信号稳定，则材质 的差异对测距精度的影响并不明显。2.2 不同色彩对测距精度的影响在测试实验中，选取 9 种材质相同而颜色不同的纸 板进行测距精度测试。首先，应用棱镜模式测距 30 次， 取其平均值作为标准距离；然后在同一位置分别对不 同颜色的纸测距 30 次，结果如表 2 所示。表 2 不同颜色材料测距结果分析表 3 不同入射角度的测距结果分析测距平均值/mm与标准距离的差值/mm内符合精度/mm外符合精度/mm入射角度测距均值/ m测值最大较差/ mm内符合精度/ mm与棱镜测值差值/mm外符合精度/mm颜色0 10 20 30 40 50 60 70 27.715 027.717 427.719 727.722 727.724 227.735 727.747 427.768 7-1.0-3.4-5.7-8.7-10.2-21.7-33.3-54.70.130.130.140.120.150.120.150.161.143.455.748.7610.2221.7633.3654.70白色橙色 深红 黄色 粉色 深绿 紫色 蓝色 黑色28.41628.41628.41728.41728.41628.41728.41628.41628.4211121121240.090.10.120.120.110.120.170.110.282233232271.841.911.972.112.162.172.322.634.762.4 反射面的透明度对测距精度的影响为了解物体透明度对测距结果的影响，对几种 同透明度的材料进行了测试。首先，将白铁片放置从表 2 可以看出，除黑色纸板的内、外符合精度较低以外，其他颜色纸板测距的内、外符合精度基本 相当。由此可知：除黑色外，材料颜色对测距精度的 影响不明显；但颜色越浅，物体的反射信号的能力越 强，应当对测距有利。固定位置，并测距 50 次，求出平均值作为参考。然后将不同透明度的物体逐次放置在白铁片前 10 cm 处 (图 2 对不同透明度物体测距的示意图第 6 卷第 2 期夏立福等：免棱镜全站仪测距性能的测试及精度分析135图 2 所示)，也测距 50 次，求出平均值，结果如表 4 所示。式对目标观测 50 次，取平均值作为比较基准，得最终基准距离为 31.5763 m；然后，在视线附近放置一些高 大的木板、表面光滑的圆桶等作为障碍物，分别对免 棱镜无罩模式、免棱镜加罩模式各观测 50 次，得到两 种观测距离；最后，进行精度统计，结果见表 5。从观 测的结果比较可知：经加罩处理后与基准距离的差值 由 3 mm 降低到 1 mm，外符合精度从 3.42 mm 提高到0.52 mm。因此，在“多路径效应”影响比较明显的情 况下，可以采用加罩的方法来削弱其影响。表 5 加罩前后对比分析结果表 4不同透明物体对测距精度的影响与实际距离差值/mm测值最大差/mm目标性质平均误差/mm与实际值的差值/mm外符合精度/mm玻璃一层半透明薄片 二层半透明薄片 三层半透明薄片四层半透明薄片5-45-62-93-995151725351.23.86.710.216.4实验方式测距平均值/m免棱镜无罩模式免棱镜加罩模式31.580331.5772413.420.523结语从表 4 可以看出，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 5，即1）Nikon DTM-352 免棱镜全站仪测距性能可靠，其测距精度和稳定性与仪器的标称指标基本一致。2）在进行测量中只要物体表面的反射能力足够 强，且信号稳定，一般来说物体表面的粗糙程度对测 距的精度影响较小。3）材料的颜色对测距精度的影响并不显著，但颜 色越浅，物体的反射信号越强，对测距有利，目标颜 色呈白色为好。4）测量中使目标面与视准线保持垂直关系最有 利，当受条件限制使其垂直有困难时，应尽量保证激 光入射角不大于 30 。5）应注意透明物体对测距的不利影响。如果要对 透明目标进行测量，应对其表面进行适当的处理，如在透明物的内、外侧粘贴非透明薄膜、涂刷油漆等。6）当测量中遇到障碍物较多的地带时，可以采取 加罩的方法减少“多路径效应”的影响。（3）=/=1=1式中 di，pi分别为第 i 个物体的距离及对应的权值得注意的是：在把玻璃放置在铁片前 10 cm 处 时，测量所得到的距离比实际距离要长。这是因为玻 璃的穿透性好，光束在穿透玻璃时其速度也发生变化， 其速度大小为 2 108 m/s，这就造成光束在玻璃当中 的传播时间延长，测量所得距离比实际距离长的现象1。综上可知：当被测目标前方有透明（如玻璃）或 不完全透明的障碍物时，一般不能得到正确的距离值， 其误差随前方障碍物的透明度和障碍物与目标的距离 的变化而变化。由此也可以得出这样的结论：当被测 目标是具有一定透明度的物体且后面有距离较近的物 体时，测得的距离也是不准确的（实际为式（3）算得 的结果）。因此，在实际工作中，应尽量避免照准有一 定透明度的物体或前方有透明障碍物的物体。如果要 对透明目标进行测量，应对其表面进行适当的处理，如 在透明物的内、外侧粘贴非透明薄膜、涂刷油漆等。2.5加罩试验 在进行外业测量中，经常会遇到建筑物分布密集的情况，此时多路径效应的影响很大，我们尝试利用 加罩的方式来削弱这种影响。罩的规格为：长 7 cm 圆 桶，外壁为白颜色，内壁为黑颜色（主要考虑到白色 外壁对激光有较好的反射性，