红外电子仪器原理以及在公路建设中检校

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摘要：公路工程施工校检贯穿于公路施工整个过程，是公路施工主旋律的序曲、尾声及和弦。因此，公路工程校检对保证工程的规划、设计、施工等方面的质量与安全都具有重要的意义。红外测距仪的出现，使得测量角、测距趋向光电化、自动化，并将测距仪和经纬仪组装在一起，实现了边、角、高程联合。红外测距仪是一种采用相位法测距的高精度仪器，具有测距精度高、测量速度快、使用方便等优点，主要用于城市规划、铁路交通勘测、水电和工矿施工等工程测量所需要的先进仪器。本文首先介绍红外光电测距仪的优点与原理，其次介绍红外光电测距仪的误差来源，最后介绍红外光电测距仪在公路建设中检校中的应用。公路校检中所有的数据应该是详实可靠的，不能有任何虚假，否则就会给后续工程的进行带来不可估量的损失。要满足这些要求，除了需要专业人员的认真细致之外，同时也需要高水平的校检设备作为硬件支撑。实践已经证明，不仅在公路、而且在桥梁、轻轨、车站、港口、机场等城市建设设施及各种测量中，红外光电测距仪正发挥着越来越不可替代的功能和作用。

关键词：红外光电测距仪 公路 校检

1、引言

公路工程施工校检贯穿于公路施工整个过程，公路工程校检对保证工程的规划、设计、施工等方面的质量与安全都具有重要的意义。在公路工程建设的各个阶段都需要进行校检，而且校检的精度和速度直接影响到整个工程的质量与进度。公路工程施工校检贯穿于公路施工整个过程，是公路施工主旋律的序曲、尾声及和弦。因此，公路工程校检对保证工程的规划、设计、施工等方面的质量与安全都具有重要的意义[1,2]。

在红外光电测距被发明之前,上世纪60年代公路施工校检主要是由钢尺测量，体力消耗量大，测量精度低。随着光电技术的发展，红外测距仪的出现，使得测量角、测距趋向光电化、自动化，并将测距仪和经纬仪组装在一起，实现了边、角、高程联合 [3]。红外测距仪是一种采用相位法测距的高精度仪器，具有测距精度高、测量速度快、使用方便等优点，主要用于城市规划、铁路交通勘测、水电和工矿施工等工程测量所需要的先进仪器[4,5]。

2、红外光电测距仪的优点与原理

2.1 优点[6]

红外辐射是恶自然界中存在最为广泛的辐射。而大气、烟云等可吸收可见光和进红外线但是对3～5μm和8～10μm的红外线确实透明的，这两个波段被成为红外线的“大气窗口”。同时，利用这两个窗口，可以再完全无光的夜晚，在雨、雪等烟云密布的恶劣环境里，在强光的照射下，能够清晰的观察到校检的目标。

红外光是一种电磁波，红外光测距是利用光波作为载波传输测距信号以测量两点间的距离的一种方法。与传统的量距方法相比，红外光测距具有精度高、作业快，几乎不受地形限制等优点。

2.2 原理

红外测距均采用相位法测距。如图1所示，设用测距仪测定A、B两点间的距离为D，在A点安置测距仪，在B点安置反射镜，由仪器发射调制光波，经过距离D到达反射镜，再经过反射回到仪器接收系统。如果能测出调制光波在距离D上的往返传播的时间t，则距离D即可按下式求得：

式中C°为真空中的光速，n为大气折射率。

在使用式(8)时，由于测相装置只能测定不足一个整周期的相位差 ,不能测出整周期N值，因此只有当光尺长度大于待测距离时，此时N=0，距离方可以确定。否则就存在多值解的问题。换句话说，测程与光尺长度有关，要想使仪器具有较大的测程，就应选用较长的光尺。例如用10m的光尺，只能测定小于10m的数据。若用1000m的光尺，则能测定1000m的距离。但是由于仪器存在测相误差，它与光尺长度成正比，约为1/1000。光尺长度越大，测距精度就越低。10m的光尺测距精度为±10mm，而1000m的光尺测距精度则达到±1m。为解决测程与精度之间的矛盾，目前多采用两把光尺配合使用，一把的调制频率为15MHz，光尺长度为10m，用来确定分米、厘米、毫米位数，以保证测距精度，成为“精尺”；另一把的调制频率为150kHz，光尺长度为1000m，用来确定米，十米，百米位数，以满足测程要求，称为“粗尺”。把两把尺所测数值结合起来，即可以直接显示精确的测距数字。

3、红外光电测距仪的误差来源

误差来源主要包括调制频率误差、气象参数误差、仪器对中误差。

调制频率误差：由于仪器在使用中电子元件的老化，会使得原来设计的标准频率发生变化。

气象参数误差：测距是测定的气象参数为大气温度t及气压p。气象参数的测定并进行改正只有在当前参数值与标准状态相差很大时才有必要，但在精密测距时，却是不容忽视的误差来源。

仪器对中误差：光电测距是测定测距仪中心至棱镜中心的距离，因此，仪器和棱镜的对中误差有多大，对距离的影响就有多大。

4、公路建设中检校应用

4.1 公路中线的测量

公路中线测量是通过直线和曲线的测设，将公路的中线具体的测试到地面上去，并测出其里程。

用红外光电测距仪校检公路中线，宜采用纸上定线法。在大比例尺地形图上定出路线，在图上量取各交点（包括路线起点和终点）的坐标，定出圆曲线的半径和缓和曲线长度，据此计算路线各中桩的坐标。然后将仪器置于实地布设的导线点上，利用各中桩的坐标，将其直接测设在实地上。

4.2 公路中线的测量

用红外测距仪测设公路中线，一般先沿路线方向布设导线控制，然后依据导线进行中线测设。用测距仪校检是，为降低对中误差和目标偏心差对观测坐标的影响，一般均采用“三联脚架法”。

三联脚架法是一种提高导线测角和测距精度的一种措施，常用于精密短边导线的测角和测距中。为了减弱仪器对中误差和目标偏心误差对测角和测距的影响，一般使用三个既能安置测距仪，又能安置带有觇牌（反射棱镜）的基座和脚架，基座具有通用光学对中器。

5、总结

公路校检中所有的数据应该是详实可靠的，不能有任何虚假，否则就会给后续工程的进行带来不可估量的损失。要满足这些要求，除了需要专业人员的认真细致之外，同时也需要高水平的校检设备作为硬件支撑。实践已经证明，不仅在公路、而且在桥梁、轻轨、车站、港口、机场等城市建设设施及各种测量中，红外光电测距仪正发挥着越来越不可替代的功能和作用。

参考文献：

[1]邓金元. 关于公路施工测量工作有关问题的探讨[J]. 科技资讯：2007, 33：46-48

[2]张翠玉 公路工程常用仪器的使用与检修[M]. 北京:人民交通出版社, 2003

[3]斌实, 秉礼. 红外测距仪的原理及其应用[J]. 科技资讯：2003, 3：48-49

[4]付开隆, 宋建学, 何东波. 现代公路测量技术/product.aspx?product_id=9210835[M]. 北京:人民交通出版社, 2003

[5]金和钟.红外测距原理及其在勘测设计中的应用[J]. 红外技术：1990, 12(3)：24-26

[6]聂让. 全站仪与高等级公路测量[M]. 北京:人民交通出版社, 1997