免棱鏡全站儀在公路工程施工測設中的性能探討

摘要 為了滿足公路工程施工中各種測量任務的需要，提高工作效率，并為施工人員及工程標的物提供安全保障，各種先進的、現代化的測量儀器便相繼問世，并以其優越的特性廣泛應用于實際工作中。免棱鏡的發展是在全站儀結合光電測距的基礎上建立起來的。免棱鏡全站儀以其特殊的測量工作模式，使其在工作環境中測量一些特殊點和危險點方面顯示出極大的優越性，解決了傳統全站儀需要架設棱鏡測量方法難以解決的問題。文章介紹了全站儀在免棱鏡條件下的各項性能測試，得出了一些對公路工程施工有參考意義的數據和結論。

關鍵詞 免棱鏡全站儀；公路工程；測距性能；精度分析

中圖分類號 P204 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0057-03

0 引言

全站儀全稱為全站型電子速測儀（Electronic Tachometer

Totalstation）。全站儀的出現對現代測量工作有著質的推動，改變了傳統的測量模式，對測繪行業影響深遠[1]。尤其在近幾年，許多工程領域行業常用免棱鏡全站儀作為主要測設儀器，這是實際施工現代化發展的必然結果。從測試方式、使用范圍和環境來看，全站儀已成為較主流的使用設備。免棱鏡全站儀具有測速快、測距遠、高效率、使用方便和安全性能穩定等優點。因為其特殊測距模式的優越性，使其不單單應用在傳統的測量任務上，在數字化測圖、邊坡測量、公路測量、橋梁測量以及隧道監測等方面也有著廣泛應用，甚至還應用于大型工業生產、設備構建對接、調試作業、交通工具設計、大型水庫監測及大型體育設施等領域[2]。該文重點測試免棱鏡全站儀在公路工程實際施工環境條件下的使用情況，并在應用范圍、使用環境、測試條件及精度結果方面做出分析論證。

1 免棱鏡全站儀的發展及使用前景

1.1 免棱鏡全站儀發展概括

隨著施工測量方式的不斷進步，新的技術模式運用在測繪儀器的設計生產上，從而使全站儀具有了更加完善的性能，以應對當今巨量的測量任務以及復雜的測量環境。免棱鏡全站儀是在傳統全站儀和免棱鏡測距儀的基礎上發展而來的一種新型全站儀。免棱鏡全站儀的主要特點是能夠借助不配套的反射棱鏡進行工作。

1.2 免棱鏡全站儀使用前景

測量工作是各項建設工程十分重要的工作環節之一。傳統的使用配套棱鏡的全站儀測設方法在實際測量中會遇到各種難題。比如，由于地形環境或某些特殊情況，導致實際測量過程中不能到被測點安置棱鏡，對測量工作帶來了困難，也無法發揮全站儀的所有性能。免棱鏡全站儀問世后，解決了傳統全站儀無法解決的各種難題，為各項建設工程的測量作業帶來了更好的工作體驗及測設結果，降低了測量工作量，減少了作業人員配置，節約了大量的人力，物力和財力，顯著減少開支及提高效率。

2 免棱鏡全站儀測距原理

免棱鏡測距作為一種新型的測量方式，是利用免棱鏡全站儀發射測距激光照射被測物體表面后根據反射結果進行計算。在公路工程滑坡、基坑變形監測、橋梁特殊監測及道路中線測設中發揮著重要作用，大大降低了作業強度和危險性，保障了施工過程的安全，以其不擾動被測物體作為一定保護。

假設欲測量某段距離D，將儀器假設于測設點，調試儀器進行水平對中。照準部發射的激光由起始位置至被測物體，經被測物體表面反射后激光束進行折返，設光速c為已知條件，激光光束在某待測距離D上所測設折返傳播的時間t已知。則待測距離D可計算為：

D=c×t/2 （1）

式中：c=c0/n；c0——真空中的光的傳播速度，其數值近似為300 000 000 m/s；n——在各類條件如大氣折射率、光波長、測設時的氣溫t、大氣壓強P以及實際測設濕度e有著密不可分的關系。其精度結果主要取決于使用免棱鏡全站儀測量時的各類測設條件。根據相關測設規范，精度應保持在±1 cm之間，測設時長計算要求精確到6.7×10?11 s，在實際的操作中較難把握，因此在當下實際使用過程中多采用間接法來進行測量。間接法主要有以下兩種方式。

2.1 脈沖法

脈沖法測距就是直接測定儀器所發射的脈沖信號往返于被測距離的傳播時間，從而得到待測距離。由光電脈沖發射器發射出一束光脈沖，經發射光學系統投射到被測目標。與此同時，由棱鏡取出一小部分光脈沖送入光電接收系統，并由光電接收器轉換為電脈沖（稱為主脈沖波），作為計時的起點。從被測目標反射回來的光脈沖也通過光電接收系統后，由光電接收器轉換為電脈沖（也稱回脈沖波），作為計時的終點，如圖1所示?？梢姡髅}沖波和回脈沖波之間的時間間隔是光脈沖在測線上往返傳播的時間t2D，而t2D是通過計數器并由標準時間脈沖振蕩器不斷產生具有時間間隔（t）的電脈沖數n來決定的[3]。

2.2 相位法

由全站儀照準部內部的光學儀器發出激光測距光速，測出該激光光速在測試線路上往返的相位移，以測定待測距離D的對應數值。紅外光電測距儀常用的測設方法為相位法[4-5]。在砷化镕（GaAs）發光二極管上加了頻率為f的交變電壓（即注入交變電流）后，它發出的光強就隨注入的交變電流呈正弦變化，這種光稱為調制光。全站儀在起始點發出的光束在待測距離D上往返傳播，經棱鏡反射后被照準部接收，然后對其光束信號及波長用相位法進行比較核準，從而得到相位移[6]。如圖2所示。

3 測試項目及結果分析

為了研究儀器的測距精度，全面地了解測距性能各項指標，科學地統計分析并進行比較不同因素及環境條件下的測試結果，所以設計了以下全面檢驗該儀器測距精度的實驗項目：包括各種測試顏色在不同測距條件下的精度分析、傳統測設與免棱鏡測設方法中絕對精度、標稱精度的分析、激光射入角度差異對測距精度的影響分析等。該次實驗主題主要是借助棱鏡測距結果的平均值作為一個參考指標，然后對各項不同條件因素下實驗得出的測距結果作觀測均值方差計算的分析比較。從規范要求及施工實際經驗來看，方差測值與測設精度并沒有直接絕對的影響關系，但是能夠從中獲取更重要的數據分析信息，從而得出一些有價值的結論，提供給實際工作作為參考實例。

3.1 不同顏色在不同距離下的測距精度分析

該次選取8種材質相同但是顏色不同的紙片在不同距離30 m、60 m、90 m（此三點上的標記位置與實驗1一致）上進行測距記錄并進行結果分析。由于是在相同測站與相同距離的標志上進行實驗，故不需要重新進行一次棱鏡模式測距。各段棱鏡測量平均值直接采取相關已測得的合格數據，將免棱鏡全站儀架設在三個不同距離的測設點對各顏色的測試紙片進行觀測，結果見表2。

從表2中的數據可以看出，以上顏色在進行免棱鏡測距時，在近距離的情況下，還是相對穩定的，但是到達60 m之后藍色、綠色和黑色就無法測距，因為本身顏色反光系數太弱的影響。綜上分析得出白色的內符合精度最高，在實際工程測量中，應盡量避免對顏色較深的進行免棱鏡測距。

3.2 儀器絕對精度與標稱精度的比較

為了驗證儀器的免棱鏡模式下測距精度的穩定性，故進行此項實驗。在上述實驗中可已經得出白色紙片的內符合精度較高，故實際測量時的絕對精度（免棱鏡模式）使用白色紙片，測設距離隨機產生，對比傳統棱鏡測量模式下，與采用免棱鏡測量方法進行比較，在隨機測設距離條件下，測設精度分析結果見表3。

從表3顯示的數據得出，通過免棱鏡全站儀與傳統測設方式的使用對比可以看出，兩者的精度是滿足規范要求的。在實際測設中，發現免棱鏡全站儀隨著距離的增大，其方差與之形成正比關系，從表3中的數據得出，在使用免棱鏡全站儀時，精度與距離D成反比關系。

3.3 不同入射角對測距精度的影響

在實際施工中進行測量時，對于一些人員不方便到達假設棱鏡的特定條件下，需進行免棱鏡測設。因現場工作環境影響，在實際架設測站過程中，激光光速常常與被測物體存在測設角度不統一的情況[7-8]。根據激光反射光斑角度不同，將會造成返回光束有所衰減從而影響測設精度。所以在此項實驗中，選擇一個多路徑效應影響可以忽略的開闊場地，在距離測站適當距離的地面上做好一個十字形標記，并以標記中心為原點在旁邊標出各角度點記號，首先，先用棱鏡放置在做好的標記上，用棱鏡模式進行測距20次，取平均值作為此次比較測量的基準。然后再以標記為原點角度分別為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°處放置白色紙板進行測距精度比較，其結果如表4所示。

從表4中的數據分析可以看出，激光射入的測量角度對其測量精度的影響較為重要，隨著激光光束射入角度的不斷增加，測設顯示的精度存在明顯下降的趨勢。角度越大，其精度越低，甚至無法獲得測量結果，因此在使用免棱鏡方式測設過程中，應該避免出現上述情況而導致獲得錯誤的測量數據，影響施工進度[9]。

4 結論

根據3.1項目測試結果可以得出，免棱鏡全站儀在實際公路工程施工測設應用時，應避免顏色較深的反射面進行測設，結合3.2項目測試結果，在公路工程實際施工測試應用時，測試距離應避免大于40 m；結合3.3項目測試結果，在公路工程實際施工測試應用時，應避免激光入射角度過大而造成測設精度較低。綜上，在公路工程實際施工應用過程中，應對實際反射面的顏色深淺、測設距離、激光入射角所造成的精度指標進行綜合研判及獲取。

參考文獻

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