谈谈维塞拉标准基线.doc

北京长阳维塞拉标准基线 测绘行业为了校准距离测量的仪器，如光电测距仪、全站仪、基线尺、钢卷尺等，通常在野外建立标准基线。一般采用24米基线尺测定它的长度。维塞拉标准基线就是其中的一种标准基线，不过它是用光干涉仪器测定长度的。维塞拉（D.Y. VaiSala）是芬兰大地测量研究所的测量专家，他在1923年用光干涉仪测量野外标准基线，因此，他研制的光干涉仪称为维塞拉光干涉仪，用这种仪器测量的标准基线称维塞拉标准基线。大约在1984年，芬兰大地测量研究所与我国家测绘局合作，在我国建立一条维塞拉标准基线。国家测绘局委托北京市测绘院负责标准基线建立工作。本文回忆这条基线建立的过程。 一选址 当时，通过踏勘选址，将基线选在北京市房山县长阳农场的长阳果园。主要理由是那里的土质是沙性的，透水性强。长阳果园南北长1000米，东西宽约600米，基线就建在果园的中部，东西向的防风带旁，很适合进行测量作业。 这种选址的方案，当时，有些争论，但是，通过以后的沉降观测，点位的下沉很小。不过，通过基线的长度检测，长度有2 3毫米的变化，地面上的观测墩变化比较大，分析原因，果园夏季灌溉抽水影响点位的稳定。后来，检测表明，基线的全长非常稳定，变化小于0.01 毫米。这条基线定名为北京长阳标准基线，全长432米，有6个地下标石和6个地上观测墩，5个观测棚。由西向东，是零号、6号、24号、72号、216号、432号基线标志。 二建场施工 选址方案确定后，国家测绘局和北京市房山县规划部门办理了用地的正式手续。工程的内容包括：1. 在果园的办公区建一处接待室。包括会议室，接待室，一般情况下，接待外宾用。由果园管理。2. 在标准基线场的旁边建工作室一处，有十三间平房 的小院 ，以后这里常住着集线场的看守人员。3. 标准基线全长432米，建造6个地下标志，为的是永久保存标准基线。地下标石的桩基打到20米。4. 为了用维塞拉光干涉仪进行观测，在地下标志的一侧建造一排观测墩，观测墩距地下标志2米，观测墩高出地面1.5米，放置干涉仪的反射镜的。5. 光干涉的观测墩， 放置观测光干涉的平行光管，光源设备。是2米长的混凝土平台。6. 零米处的观测墩，它除了放置零米处和1米处的反射镜外，还放置一米石英尺，所以它比其他几个标志的观测墩要大一些。7. 由于这条基线建造在果园内，所以每个观测墩都建造了观测棚，观测棚的四壁是铁丝网，便于通风。但能防雨。8. 安装地下标石和标志的建造和其他类型的基线场测量标志的建设过程一样。观测墩的混凝土灌注到顶面时，要将放置反射镜支架的底座注在混凝土中。基线场的土建工程，到1985年完工，同年进行了落成典礼，当时，芬兰大使馆的驻华大使参加了典礼。 三、沉降观测 基线建成后，开始进行沉降观测，地下标志的高程检测由测绘院进行，从1985年开始，一直到1994年，定期进行测量。基线的长度检测，由国家测绘局第一测量大队进行，用24米基线尺测量，按丈量标准基线场的精度作业。 通过检测，地下标志的高程变化，没有超过水准测量的精度。也说明芬兰人选在沙质土层，有一定的道理。 基线长度的测量结果，反映的基线长度的变化，都和光干涉测量的结果一致，两种仪器测量的结果，精确到0.1毫米。基线长度的检测结果表明，有23毫米的变化。到了1994年，基线趋于稳定。 四、光干涉测量过程 1 光干涉测量的原理 由光源发出两束光，如果它的光程相等，回发生光干涉现象。假如由一个小灯泡接通电源，发出一束光，然后在光照射方向放置三个反光镜，由近向远，用A，B，C表示。其中A镜能透过光，又能向B镜反光，而B镜能透光，又能向A镜反光，C镜能向B镜反光。这样，当光源发出一束光，通过A镜，射向B镜，这时有一束光，由B镜反回，射向A镜，又有一束光，通过B镜，射向C镜，由镜反回，射向A镜，这两束光可以产生干涉现象。但是产生干涉的条件是，两束光的光程必须相等。为了满足这个条件，调整三块镜子的间距，使A 镜和C镜的反射面的间距AC是B镜和A镜的反射面的间距AB的整倍数。 利用这个原理，如果已知AB的间距，乘以它们的整倍数，得到AC的间距。维塞拉光干涉仪用这个原理测量距离的。实际上，两束光的光程之差小于1.3微米时，才能产生光干涉现象，所以这种测量方法的精度是很高的。2. 维塞拉光干涉仪维塞拉光干涉仪不像其他测量仪器，如全站仪，水准仪，全部的部件装在仪器的外壳内，一套维塞拉光干涉仪可以装5-6个大木箱。它包括：（1） 石英尺：长度一米，温度膨胀系数很小，是维塞拉光干涉仪的长度标准。（2） 光源灯泡，电池；观测光干涉的准直光管；这些设备安装在观测墩台上。（3） 零米和一米的反射镜及支架，和一米石英尺一起安装在一米的观测墩上。（4） 其他几个观测墩安装一块反光镜（6米，24米，72米，216米，432米）。（5） 观测温度的水银温度计，格值0.1，按照规定的距离挂光干涉线的一侧，间距0.4米。高度等于光干涉线的高度，（6） 距离传递装置：维塞拉光干涉仪直接测量的距离是反射镜面之间的距离，当光干涉测量结束后，必须将距离传递到传递杆上，传递杆是固定在观测墩上的一只金属棒，长度 约0.4米，直径约20毫米。传递距离的读数装置的下端卡在传递杆上，上端的读数装置是一个测微轮，当测微轮转动时，带动一个指向反射镜镜面的指针接触镜面。这时，在测微轮上读数，测出反射镜的镜面与传动杆的间距。等于将反射镜的间距转动到传动杆上。那么反射镜就可移动，进行下一步的观测。（7） 投影测量装置：干涉测量结束后，得到的是观测墩上的传动杆之间的距离，为了长期保存基线的长度资料，还需要将墩上的间距传递到地下标志，转递的方法是采用测量三角形的边长和角度的方法，计算反射镜与地下点的投影距离。所以叫投影测量。具体方法是，在某一个基线点的地下点和反射镜的连线方向上，距地下点23米处，设置经纬仪，观测地下标志点与反射镜的夹角，用钢卷尺丈量经纬仪至地下点和反射镜的距离，解三角形边长，得到地下点与反射镜投影的间距。这项工作在整个工作的开始和结束进行一次。经分析，测量的精度能达.到0.05mm. 此外，为了提高水平角的观测精度，需要将地下点(观测目标)引到地面上，与反射镜同高。为此，在地下点的上方支一个三脚架，将一根1.5米长的金属杆立在地下点上，再用一个格值为2秒的长水准器，将金属杆调整到竖直位置，水平角观测时，照准金属杆上端的小孔。3. 干涉测量的过程（1） 干涉测量开始，首先在观测墩上安装反射镜的的支架和传递杆。放置石英尺的支架，光干涉观测的设备。（2） 在支架上，放置反射镜，进行定线，使所有墩位上的反射镜在一条上。安装调试后，使干涉光线从光源出发，经过反射镜，返回准直光管内。（3） 干涉测量一般进行五个测回，每个测回，在一个晚上完成。（4） 下面简单介绍一个测回中，测量一段距离的过程。（5） 比如，测量零号镜到6号镜（6米）的距离，a） 安装零号镜，1 号镜和6号镜，在零号镜和1号镜之间安装石英尺，测量零号镜与1号镜的距离。b） 取下石英尺，将6号反光镜后面用遮光板挡住光线。c） 打开光源，调整光程补偿器，观察光干涉条纹，当两束光的光程相等时，看到干涉条纹，这时，记录温度，和传递杆的读数，d） 零号与6号镜面之间的距离等于零号与1号的镜面之间距离乘以6e） 下面测量零号至24号镜的距离，取下1号镜，挡住24号镜，重复c),d)两个步骤。（6） 一直测到432号反射镜，为第一测回的往测。接着 ，进行返测，由432号 ，到1号，再用石英尺测一次零号镜至1号镜的距离。完成一个测回的观测。 （7） 这种测量工作，要求的观测条件十分苛刻，一般情况下，白天一天要阴天，晚上，天空有云，本来，只有5天 的工作量，实际上，每次测量都用了一个多月。工作的难点是观察到干涉条纹，很不容易。气温有点变化，光线就抖动，不易看到干涉条纹。（8） 工作开始和结束各个地下