折光腔法鑒相式大長度測量儀檢定方法

黃　穌，潘嘉聲,張　勇

（1.廣東省現代幾何與力學計量技術重點實驗室，廣東 廣州 510405；2.廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405）

折光腔法鑒相式大長度測量儀檢定方法

黃穌，潘嘉聲,張勇

（1.廣東省現代幾何與力學計量技術重點實驗室，廣東 廣州 510405；2.廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405）

大長度測量儀檢定工作一般在野外基線場上進行，耗時費力、強度高效率低、受環境影響嚴重等問題一直困擾計量檢定人員。為改變這一落后作業模式，在手持激光測距儀室內檢定裝置研制成功的基礎上，該文提出基于折光腔法與虛擬基線理論構造鑒相式大長度測量儀檢定裝置，擬將野外檢定基線場完整搬入室內。利用費馬原理設計的折光腔將長度＞1000m的光路壓縮在數十米以內，利用光的反射定律推導出虛擬基線（室內大長度各段標準值）的計算方法，同時進一步提出檢定裝置的結構設計，技術參數及控制措施，并通過對系統潛在影響因素分析以論證該大長度室內檢定裝置的可行性。

大長度；折光腔；虛擬基線；費馬原理

0　引　言

鑒相式大長度測量儀器涵蓋了全站儀、光電測距儀等野外測距的儀器，該類儀器在20世紀80年代初進入我國以來，在國內得到廣泛應用。作為一種基礎計量器具，被我國依法納入計量器具的管理范疇，國家先后頒布了3個版本的檢定規程，該類儀器以1年為周期，必須經過有關部門的周期檢定方能合法使用。目前按國家計量檢定規程的要求，需在野外長度＞1000 m的場地建立不少于7個基線觀測墩，由經過標定的各觀測墩間的距離全組合成不少于21段基線邊（長度標準值），檢定時需要在這些觀測墩間來回安置儀器和擺放合作目標。國際上采用標準ISO 17123-4——2012[1]，其檢測設備也是野外基線場，檢測方法也按全組合模式逐點安放被測儀器和合作目標。可見無論國內國外，檢定方法繁瑣、工作強度大、檢定效率低且嚴重受野外環境的影響，一直困擾著計量檢定人員。為改變“落后”的檢定模式，近年來，很多單位進行了相關的研究，典型方法包括標準光纖法、棱鏡陣列法等壓縮光路的方法，但都存在固有的弊端而未能有效解決該問題[2-6]。本文提出一種采用雙平面折光腔的室內虛擬基線場法（折光腔法），目的在于將檢定場所從室外搬入室內，并從基本原理、典型構造、技術參數、保證措施及影響分析等方面展示裝置的可行性。

1　檢定系統測量原理

折光腔法通過壓縮光路實現大長度測量儀的檢定，由費馬原理可得，光沿光程為最小值、最大值或恒定值的路徑傳播。設光從A到B的光程為L，介質中的任意兩點A、B，ds、Δn為AB間的微分距離與介質的折射率，則有：

根據光在均勻透明介質中按直線傳播，同時光在均勻透明介質中傳播時，折射率各處一致，即Δn1=Δn2=…Δnm=n，其中Δn1～Δnm為各段微分介質的折射率，n為AB間介質的折射率。則有：

如圖1所示，假設在空氣里一路光從A直接射到B，另一路光從C經E、F、G、H射到D，基于光的直線傳播定律，并設第1路光走過的路程為l，第2路光走過的路程為L。

圖1　不同光路光程計算示意圖

設t和T分別是第1路和第2路光的運行時間，則有：

若T=t，則L=l，因此用測量L的結果替代對l的測量，這即為檢定儀“折光腔”的基本原理，測距光束（最大時）按20∶1的壓縮比折疊在5 m空間，實現手測設備測量長達105m的設計要求。若將此理應用于大長度測量儀檢定裝置，只需加大“折光腔”空間（縱向和橫向）距離，即可實現該裝置模擬野外1 020 m的基線長度。

2　折光腔長度標準計算方法

標準是真值或約定真值，通常是計量標準器的示值（標定值），圖2為折光腔長度標準計算示意圖，其標準為各段虛擬基線的長度Li。虛擬基線[7-8]的概念是理想光位于被檢儀器的位置并按被檢儀器的方位射入實際的“折光腔”里，直到返回點時，其間所行進的理論路程。

圖2　折光腔長度標準計算示意圖

從圖中可以看出，“折光腔”中兩反射面平行，設其間距離（母光距）為D0，將最初入射角φ1和φ2等量傳遞到最后的反射角，則虛擬基線的長度計算式可表達為

令i為反射次數，則可得長度標準計算式：

3　大長度測量儀檢定系統結構設計參數控制措施

圖3為大長度測量儀檢定系統的結構設計圖，主要由地基平臺系統、安裝調節系統、折光腔系統、置角測角系統、強制回光系統、工作臺系統等組成，主要的改進工作是將折光腔中的兩反射體間的距離拉大至合適長度并橫向加大面積，改造工作臺系統適合安裝被檢儀器并僅保持其升降功能，即可實現大長度測量儀器的檢定，從結構設計上是可行的。

圖3　大長度測量儀檢定系統的結構示意圖

為構造大長度測量儀器檢定裝置，在搭建上述結構系統時，還需合理設計和控制以下參數：

1）反射體表面的反射率R

反射率要求越高越好，文獻[9]指出目前優化膜層的技術反射率可做到R=99.98%。雖然“折光腔”的反射率會損耗光能量，回光能量是其發出時的0.992（R38=0.999838=0.992），但在野外測距時，氣候不穩定，大氣中的水分子及其他微小物質會吸收光能量，文獻[10]指出在2 000 m長度上透過率只有65%，但在“折光腔”中的大氣水分子及其他吸光物質大為減少，透過率有望較大幅度提高。以全站儀為例，絕大多數能在野外1000m以上正確測距，在大長度測量儀器檢定裝置中回光強度將更好，其正確測距不受影響。反射體表面的反射率R在現代多層介質膜鍍膜工藝和加工技術條件下，可實現較高反射率。

2）“折光腔”的母光距D0

母光距D0是虛擬基線長度，即標準示值來源，實際是兩反射平面間的距離，按規程 （最長基線段＞1 000m）[11]及上述反射率的要求，母光距可由下式計算：

取D0=51m，則虛擬的最長基線為51×20=1020m。母光距D0通過標定技術實現，采用雙頻激光干涉儀和μBASE高準確度光電測距儀可有效實施對母光距的標定，測量不確定度可控制在10-6以內。激光跟蹤儀、甚至高準確度全站儀都可用來標定母光距，只是具體操作模式和標定工藝還值得深入研究，特別是全站儀外部斜射——多段平均法[12]，消除了全站儀自身的固定誤差a，并抑制了比例誤差系數的影響。

3）“折光腔”的最短寬度B0

入射角φ的臨界值經測量為φT=409″，取φT=425″，B0由下式計算：

最短寬度B0通過機械設計和加工予以保證。但還需考慮以下兩點：①反射面的尺寸太大將增加費用；②光點在反射面上并非連續分布，因而可采用集成光反元件制作反射體。同時研究光點成面陣（二維）分布的構體，可大大減少鍍膜面積，減少成本。

4）“折光腔”兩反射面的夾角β

兩反射面的夾角理論上為0，但不可能做到，只能越小越好，結合各種因素考慮的影響，取β≤5″。保證兩反射面的夾角β目的是保證兩反射面大致平行。采用自準直經緯儀，將其安置于“折光腔”中部，并將望遠鏡調至水平狀態，往左照準“折光腔”的任一反射面，利用自準直系統和“折光腔”相互獨立的俯仰、偏擺調節機構將該反射面調至垂直于經緯儀光軸；再將經緯儀旋轉180°，按同樣方法把另一反射面調至與經緯儀光軸垂直，反復兩到三次，可將兩反射面的夾角調到β≤5″。或者用激光跟蹤儀通過兩反面間不同距離監控和調整使β≤5″。

4　系統影響因素分析

搭建大長度測量儀檢定裝置的主要影響因素是光的波動。鑒相式大長度測量儀發出的紅外激光經過電頻調制，光強隨加載電信的頻率成正弦變化。但由于該電信頻率從幾十兆赫茲至幾百兆赫茲，波長為幾米至幾十米，這對于需要考慮光波波長的微觀尺度來說是很大的，故在介質和界面上幾乎不產生影響或其影響甚微而被忽略。其次，折光腔的反射體通過鍍膜增加反射率，光波在多層界膜上的多次反射相干疊加才使反射光獲得很高的強度，介質膜層的厚度對母光距D0存在影響，按敏感波長1000nm、17層膜層計算，總厚度為

故引起的母光距誤差為8.6 μm，當虛擬基線為1020m時，引起的不確定度為0.16mm，對測量結果的影響可忽略，當用膜層厚度修正母光距（取多膜層反射光的平均效應時）后，不確定度為0.08mm，甚至可采用其他技術將母光距的系統誤差測出予以補償或修正。因此，光的波動效應不會對裝置的建立產生決定性的影響。

5　結束語

論文詳細闡述了基于折光腔法與虛擬基線理論構造鑒相式大長度測量儀檢定裝置的原理，以及虛擬基線的標定方法，討論了實現檢定裝置的結構與參數控制措施，并指出為實現該裝置應保證以下參數：反射體表面的反射率應盡可能高；母光距可通過雙頻激光干涉儀和μBASE高準確度光電測距儀標定，測量不確定度可控制在10-6以內；兩反射面的夾角控制在β≤5″內。

[1]ISO17123-4—2012 Part 4：Electro-optical distance meters（EDM measurements to reflectors）[S].2002.

[2]石磊.全站儀檢定中必須注意的幾個問題[J].中國計量，2005（6）：65.

[3]楊維芳，傅輝清.光電測距儀檢定方法研究進展[J].光學儀器，2008（30）：77-81.

[4]楊維芳.光電測距儀室內長基線建立方法研究[D].武漢：中國地震局地球物理研究所，2009.

[5]楊潘，李新碗，李中方.基于標準光纖的全站儀測距室內檢定[J].電子技術，2011（2）：4-5.

[6]史潔琴，何珂，徐永.光纖基線標定激光測距儀方法研究[J].南京航天航空大學學報，2012（6）：830-834.

[7]黃穌.建立室內虛擬長度基線場的可行性探討[J].計測技術，2006（4）：22-25.

[8]潘嘉聲，黃穌，張勇.室內虛擬直線基線的研究[J].計量學報，2015，36（1）：19-21.

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[10]孔明東，李瑞潔，周九林，等.高反射率光學薄膜的一種新設計方法[J].光電子·激光，2000（11）：62-64.

[11]JJG 100——2003全站型電子速測儀檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2003.

[12]黃穌，潘嘉聲，張勇.手持式激光測距儀室內檢定裝置的最佳方法及可行性探討[C]∥測繪儀器裝備研究與創新，北京：測繪出版社.

Verification method of phase detector large length measuring instrument based on refraction cavity

HUANG Su，PAN Jiasheng，ZHANG Yong
（1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology，Guangzhou 510405，China；2.Guangdong Institute of Metrology，Guangzhou 510405，China）

Generally，the calibration work is carried out in outdoor fields through large length meters，but it is time-consuming，inefficient and severely affected by the surroundings，which have been long plaguing the metrological verification personnel.Based on the indoor test device for portable laser rangefinder，this paper has proposed to design a calibration device for phasedemodulation large-length measuring instrument according to refraction cavity and virtual baseline theory，that is，to move verification baseline fields from outdoor to indoor.The refraction cavity designed by Fermat’s principle is used to fold the light path greater than 1000m within 10m and at the same the reflection law of light is applied to deduce a calculation formula to calculate the virtual baseline（standard value at each section of indoor large length）.The structure design，technical parameters and control measures of the calibrating device has been discussed as well，and its feasibility has been demonstrated by analyzing the potential influence factors of the system.

long length；refraction cavity；virtual baseline；Fermat’s principle

A

1674-5124（2015）12-0021-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.006

2015-06-21；

2015-07-30

國家質檢總局科技計劃項目（2011QK306）

黃穌（1957-），男，重慶市人，教授級高工，主要從事測繪儀器的計量檢定和科研工作。