精度动态角度测量 .doc

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1、摘 要光学测角法是高精度动态角度测量的一种有效的解决途径。本文首先介绍一种制作简单、价格便宜、应用面广的测角码盘设计方案；并以码盘信号的产生、处理和传输为主线，详细说明工作原理，进而再次证明其简单便宜的突出优点。其次，对目前发展较快的几种角度测量的光学方法-圆光栅测角法、光学内反射小角度测量法、激光干涉测角法和环形激光测角法进行了详细的介绍，并且分别给出了每种方法的测量原理和发展现状，比较了各种方法的优缺点，给出了每种方法的应用场合和发展前景。最后，简单展望大比例尺数字测图的发展趋势。关键字：测角码盘 编码胶片 状态编码 角度测量 光学方法abstract Angle measurement

2、with optical methods Optical methods are one of the most effective way of dynamic angle measurement with high accuracy . Firstly， this article introduces one kind of manufacture simply, the price small advantage, the application surface broad angulation coded disk design proposal; And take the coded

3、 disk signal production, processing and the transmission as the master line, the specify principle of work,then once more proves its simple cheap prominent merit. Secondly sweveral well developed optical methods of angle measurement with radical gratings, angle measurement based on internal-reflecti

4、on effect, laser interference angle measurement system and ring laser goniomcters are described in detail. The principle, present status and application situation of each method is displayed .The superiority and defects of these methods are lined out. The development future of each method is given a

5、t last.Thirdly, introduces the trend of development of the great proportion dimension figure survey simply .Keyword : angle measurement optical method第一章 测角码盘1.1引言 进行角度测量在测绘领域，通常都使用光学经纬仪，这是一种传统的目视光学测角方法，随着国民经济的不断发展，要求室外测量仪器必须朝着轻便、快速、高精度、自动化、多功能的方向发展，因而不但要求测距自动化还要求测角也能自动化、数字化。这样，就可将方位角和高低角的信息同距离信息一道送

6、入微型计算机中去处理，从而可同时迅速获得水平距、高程和坐标等使用数据。这就为地形、勘查、工程、大地等测量提供了更加实用的工具和手段。随着光电技术的发展，目前世界上已研制出能自动测距和测角，并自动记录或显示角度、距离、高程和坐标的仪器，这种仪器成为全站式电子速测仪，其自动测角均采用的是光电测角的方法，光电测角不但可以消除人眼误差影响，提高测量精度，更重要的是能使测角过程自动化，因而大大减轻了测量工作的劳动强度和提高了作业效率。光电测角是利用光电转换器件将角度位移量的编码或干涉的光信息转换为电信息后，经译码或参与运算的电子电路而得出所测的角度的。目前，野外测量仪器普遍采用的光电测角方法是利用摩尔干

7、涉条纹技术的增量法（即圆光栅法）和利用光电编码度盘的绝对法。此外，利用激光干涉原理也可测量角度，它主要采用三角法，将角位移转换为线位移再进行测量。激光测角仪有单频，双频和环形激光测角仪三种。它们对环境条件有较严的要求，前三种只是用于测量小的转角，后一种虽然测角范围不受限制但存在频率牵引、闭锁、零漂等问题，且没有三百六十度子封闭性，所以野外测量仪器没有采用。测控系统中，经常用到采集各种角度参数或对转动机构进行测速的角度传感器。目前，市场上一些具有成熟技术的角度传感器有自增角机、电位器、码盘、霍尔元件和齿轮计数器等。这些产品中，有的精度很高，但价格昂贵，有的价格便宜，但结构复杂，往往难于同时满足结

8、构简单、价格便宜的要求。本文介绍一种光电码盘设计方案，硬件结构非常简单、成本价格十分便宜，而且稳定性好、使用寿命长，又能满足多数情况下的精度要求。1.2 工作原理1.2.1 原始信号的产生（1）信号产生原理本码盘用于采集信号的器件是一对发光管和接收管，每个管内有两套收发装置。其功能实现过程为：在发光管和接收管之间放一圆形黑白相间且宽度相同的编码胶片，使三者分别处于相互平行的平面内，将发光管和接收管中心对正，并使编码胶片可以绕其轴心旋转。上电后，发光管会连续不断地发射信号，但由于胶片是黑白相同的，所以当黑色部分正对发光管时，发光管发出的信号将被阻挡，使接收管接收不到信号；而当白色部分正对发光管时

9、，发光管发出的信号将透过胶片射到接收管上。这样，在接收端就得到两路连续变化的正弦波。（2）方向判别原理图2为原理示意图。编码胶片宽度是收发装置距离的两倍，两收发装置位置关系应满足B=(0.7n+0.35)+A，图中n=0。同理，当胶片向右转动时，A、B信号变化恰好相反。这样，通过A、B信号不同的变化规律实现对方向的判别。1.2.2信号处理图3是码盘信号处理电路图。该电路的主要任务是将产生的原始模拟信号转换为数字信号，即模数转换。由传感器产生的0V为振荡中心的正弦波信号，经跟随器处理后转换为以+2.5V为振荡中心的正弦波信号。通过调节电位器，使其波形达到最佳状态，然后，经过大器将正弦波信号放大1

10、0倍。此时，由于放大的拉伸作用，被钳位在05V之间的信号已具有非常陡的上升沿和下降沿，最后经施密特触发器整形后，以方波形式输给单片机。其波形关系如图4所示。1.2.3信号控制及传输（图三）为控制传输电路图。 （图三）# 这部分主要通过软件编程实现对信号的处理。硬件结构包括信号处理芯片AT89C2051、信号传输芯片75176和相应的复位电路。其中，复位电路采用由MAX813L芯片组成的看门狗电路。正常工作时，由89C2051为其定时提供触发信号，不产生复位；若发生错误，则在距上次触发信号1.6s后，该电路会自动产生复位信号，对89C2051进行复位。信号处理电路产生的方波信号A、B由端口Px.

11、m和Px.n输入，然后通过软件比较端口现在时刻和下一时刻的状态变化，实现功能选择。最后，通过端口Px.k控制的串行通信 芯片75176传给主控板，实现信号的控制传输。1.3 软件设计1.3.1状态编码由图（一）可知，A、B信号的相位相差1/4个周期，所以可得图（四）所示的状态变换图。 （图四）若规定顺序时针方向计数器为加，逆时针方向计数器为减。这样，通过不同状态值的变换就可对数据进行加操作、减操作和不操作，从而实现对信号的连续处理功能。1.3.2软件编程软件流程图如图五所示。 （图五）主要可分为以下几部分。上电开始后，软件首先对AT89C2051的内部寄存器和RS422串行口进行初始化。通过对

12、专用寄存器的赋值，设定工作状态和通信 方式，串行通信的波特率为9600b/s。初始化完成后，软件将检测端口Px.m和Px.n的状态，程序用两位记录端口相邻状态值，左一位代表前一状态，右一位代表当前状态，然后通过带进位的左循环指令进行状态更新。通过状态值变化，查表2，跳转进入执行程序。在执行程序中，可根据不同需要设定上下限进行数据处理。同时，由于处理程序很少，执行时间短，串行通信部分可采用查询方式完成。1.4应用实例把该设计应用到笔者开发的项目某型转达训练系统上。采用图3和图5所示的电路设计方案，用该码盘连续采集空中飞行目标的方位角和高低角。以高低角采集为例，系统指标要求高低角变化范围是-501

13、450密位，设计中采用的编码胶片精度是480单位/圈。如文中图1所示，由于编码胶片是圆形的，且一个黑色或一个魄区间均可称为一个单位，所以计算其精度时用每圈包含的黑白区间个数确定，因此用单位/圈。对高低角增减判断主要通过软件编程实现，这段程序如下。 MAIN1：MOV A，R4 ；读骊盘A、B信号到码盘状态暂存器R4MOV C，P3.3 ；P3.3为A信号采集端口，RLCA ；用于A信号新旧状态转换MOV C，P3.5 ；P3.5为B信号采集端口，RLCA ；用于B信号新旧状态转换MOV R4，AANL A，#0FH ；计算散转地址MOV B，#03HMUL ABMOV DPTR，#TIM1；T

14、IM1为状态真值表首地址LJMP A+DPTR ；散转至真值表然后，通过查真值表状态值，转入处理程序实现角度的加减。若出现丢码现象，说明单片机采集速度低于码盘转动速度，可根据实际情况更换采集芯片或降低码盘转动速度。同时，通过规定编码胶片每旋转个单位对应的角度值变化1密位（密位是军事用语，一种更精确的划分角度方法，一周为360度，6000密位）和相应的单位转换。在软件中确定了码盘采集量的上下限和单位变化量，从而限定了高低角的变化范围，也达到了采集精度要求。 通过示波器检测硬件电路单个信号波形，得到图8所示关系。说明实际应用电路中各级输出信号与原理电路的设计完全相符，软件采集的信号为真实值。经实践

15、检验，该方案设计的码盘能准确的采集目标参数，使系统对目标进行连续跟踪。本文介绍的测角码盘设计方案使用的都是容易购买的简单器件，且软件编程任务量少。此外，可通过在旋转轴上安装微动开关实现码盘计数的快慢变化，还可通过采用绝对式编码胶片进一步提高采集精度。第二章 角度测量的其它方法角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，发展较为完备，各种测量手段的综合运用使测量准确度达到了很高的水平。角度测量技术可以分为静态测量和动态测量两种。对于静态测量技术来说，目前的主要任务集中在如何提高测量精度和测量分辨力13上。随着工业的发展，对回转量的测量要求也越来越多，因此人们在静态测角的基础上，对旋转物体的转角测量问

16、题进行了大量的研究，产生了许多新的测角方法。测角技术中研究最早的是机械式和电磁式测角技术，如多齿分度台和圆磁栅等，这些方法的主要缺点大多为手工测量，不容易实现自动化，测量精度受到限制15。光学测角方法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视，尤其是稳定的激光光源的发展使工业现场测量成为可能，因此使光学测角法的应用越来越广泛，各种新的光学测角方法也应运而生。目前，光学测角法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码器法6、衍射法7，8、自准直法，9，10、光纤法11、声光调制法12，13、圆光栅法1417、光学内反射法1823、激光干涉法2428、平行干涉图法29

17、，30以及环形激光法3133等。这些方法中的很多方法在小角度的精密测量中已经得到了成功的应用，并得到了较高的测量精度和测量灵敏度，通过适当的改进还可对360度整周角度进行测量对于众所周知的光学分度盘、轴角编码器、光电光楔测角法等来说，由于应用较多，技术比较成熟，本文不作具体介绍。下面主要介绍几种近几年来发展起来的小角度测量方法和可用于整周角测量的方法。 2.1 圆光栅测角法圆光栅是角度测量中最常用的器件之一。作为角度测量基准的光栅可以用平均读数原理来减小由分度误差和安装偏心误差引起的读数误差，因此其准确度高、稳定可*。但在动态测量时，在10r/s 的转速下，要想达到1的分辨率都非常困难。目前我

18、国的国家线角度基准采用64800线/周的圆光栅系统，分辨率为0.001，总的测量不确定度为0.05。该测量方法主要是在静态下的相对角度测量。英国国家物理实验室（NPL）的E W Palmer 介绍了一台作为角度基准的径向光栅测角仪，如图1所示，既可用于测角，又可用于标定。其原理是利用两块32400线的径向光栅安装在0.5r/s 的同一个轴套上，两个读数头一个固定，一个装在转台上连续旋转，信号间的相位差变化与转角成正比。仪器中用一个自准直仪作为基准指示器，可以测得绝对角度，利用光栅细分原理可测360度范围内的任意角度，附加零伺服机构可以对转台进行实时调整，限制零漂。用干涉仪作为读数头，可进行高精

19、度测量。按95%置信度水平确定其系统误差的不确定度为0.0515。 德国联邦物理研究院（PTB）的Anglica Taubner等人用衍射光栅干涉仪测量转动物体，能够检测角加速度、角速度、转角。检测原理光路如图2所示。单频He-Ne激光器发出的光经过柯斯特分束棱镜后在出射方向分束位两束平行光，这样由于气流和温度变化引起的两条光路的变化相等。经过变形透镜后直射或斜射到随被测件一起转动的反射型衍射光栅上，该光栅是PBT特制的2400线/mm正弦相位光栅。干涉信号由光电探测器接受，该系统检测正弦信号时测量灵敏度不确定度为0.3%，测旋转物体时相位差不确定度为0.2%，该系统的主要问题是灵敏度非常复杂

20、16。在此基础上作了相应的改进，并进行了标定17。 2.2光学内反射小角度测量法光从光密介质传到光疏介质时，当入射角大于临界角时发生全反射现象。内反射法小角度测量就是利用在全反射条件下入射角变化时反射光强的变化关系，通过反射光强的变化来测量入射角的变化的。由于入射角在临界角附近线性较好，随着入射角的微小变化，反射光的强度发生急剧变化，因此测量时通常定义一个临界角附近的初始角0 ，被测角为相对于该初始角的角位移，这样就可以充分利用临界角附近灵敏度较高的特点，进行小角度的高精度测量。该测量方法存在的一个问题是入射角和反射光强之间的关系是非线形的，灵敏度因此受到限制。为了减小函数非线性对测量结果的影

21、响，采用差分式测量，其原理如图3所示，首先分别测出0+和0 -的反射光强的变化，然后用线性化公式进行处理，以得到相应的角度值。内反射法是由P S Huang等人提出来的18，用该方法制成的测角仪体积可以做得很小，因此特别适用于尺寸受限制的空间小角度的在线测量，而且结构简单，成本低。测量的灵敏度取决于初始入射角和全反射的反射次数，增加反射次数可以提高灵敏度，提高分辨力，但测量范围就相应变小。因此P S Huang等人又在此基础上制成了多次反射型临界角角度传感器，用加长的临界角棱镜代替图3的直角棱镜以增加反射次数，如图4所示。该仪器可用于表面形貌、直线度、振动等方面的测量。在测量角度方面，以3弧分

22、范围内的分辨力为0.02弧秒。在接下来的工作中，P S Huang 等人又将其测角范围扩大到30弧分，输出信号峰峰值的漂移小于0.04弧秒19,20。该仪器的缺点是成本高,加长的临界角棱镜加工困难。台湾的National Chiao Tung University的Ming-Hong chin等人在此原理基础上，提出了全内反射外差干涉测角方法。用外差干涉测角方法。用外差干涉仪测量S偏振光和P偏振光之间的相位差，将传感器的测角范围扩大到10。，分辨力随入射角的大小变化，最佳分辨力可达81 05度21。Hong Kong University of Science and Technology的W

23、ei Dong Zhou等人采用差动共光路结构，大大提高了系统的线性，并获得了0。3角秒的最佳分辨力【22】。天津大学和日本东北大学在这方面也进行了一些研究23。2.3激光干涉测角法角度可以表示为长度之比，长度的变化可以用激光干涉法在角度测量中得到广泛的运用。干涉测角法不仅可以测量小角度，而且也可以测量整周角度。2.3.1激光干涉小角度测量干涉小角度测量的基本原理可以表示成图5的形式。采用迈克尔逊干涉原理，用两路光程差的变化来表示角度的变化，经角锥棱镜反射的一路光的光程随着转角的变化而变化，因此干涉条纹也发生相应的移动，测得条纹的移动量，就可测得转台的转角24。在此原理基础只上发展起来的角度测

24、量系统都致力于光路结构的改进和消除各种误差因素的影响。经过改进后可以测量大约90度的角度，但各种误差因素随着所测角度的增大而急剧增加，因此该系统的测量范围限制在几度内，在此范围内具有极高的测量准确度。这种技术已经发展得非常成熟，美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干涉小角度测量技术作为小角度测量的国家基准25。为了消除转盘径向移动对角度测量的影响，采用如图6所示的测量光路，用两个角锥棱镜形成差动测量，大大提高了系统的线性和灵敏度。为了增加干涉仪抗环境干扰的能力，可以采用双频激光外差干涉测量法，用双频激光代替普通光源。用这种方法测量平面角，灵敏度可达0.00226。2.3.2激光干涉任意角测

25、量方法上面介绍的干涉法小角度测量系统，测量范围大约在几度以内，而大范围的角度测量要求越来越多，为了解决整周角度的测量问题，对上述方法进行了相应的改进，提出了几种新的激光干涉任意角度测量方法。 (一) 用双平面反射镜实现任意角度测量该系统的构造如图7所示。系统的核心部分由旋转镜RM、旋转镜悬架SU以及防倾斜装置TP构成。防倾斜装置TP能够保证在一周的旋转范围内，由旋转镜RM的两镜面构成的直角的角平分线始终与入射的激光束平行。当旋转镜悬架SU转动角时，旋转镜RM在光线入射方向移动相应的距离，光电元件接收的干涉条纹数发生相应的变化25。该方法存在的主要问题时平面镜的表面形貌和两平面镜的直角误差都会对

26、测量结果产生影响，另外机械导杆的运动平稳度也会使结果产生偏差，需要用算法进行修正。（二）定值角型任意角干涉测量技术两块平面镜以一定的夹角排列而构成的光学组件即为定值角，用标准定值角取代迈克尔逊干涉仪中的测量干涉经就构成定值角干涉仪。天津大学根据该原理设计的一个双定值角型测角系统光路如图8所示。由激光器1初涉的光束经扩大镜组2、针孔滤波器3、准直透镜5、限束光阑6、平面反射镜7、分光镜8后分成两束，分别进入由长平面镜9和被检多面棱镜12构成的双定值角，经反射后在分光镜8上产生干涉，干涉信号由CCD元件4接收。这一路光称为多面棱体检定光路，与其对称的右半部分称为双定值角测量跟踪干涉仪，工作原理与其

27、完全相同。该系统能在0360度范围内实现任意角度的高准确度测量，测量不确定度优于0.327。该方法的主要问题是标准定值角的加工及安装精度比较难保证，而且测量过程中需要一套双定值跟踪系统，结构比较复杂。（三） 双频激光楔形平板干设法测量任意转角利用双光线经过楔形平板时光程差变化与平板转角的关系，测得光程差的变化，从而得出相应的转角变化。系统基本原理如图9所示。由双频激光器发出的激光束经过分光镜分为两束，反射光经检偏器1后由光电接收器接收，形成参考信号。投射的一束光是测量光路，经过偏振偏光镜将偏振方向相互垂直的两路光分开，频率分别为f1和f2，两路光分别经过/4波片和楔形平板后由角锥镜反射回偏振分

28、光镜铲射产生干涉信号，经检偏器后由光电接收器2吸收，将光电接收器1、2的信号送入信号处理电路，可得到多普勒频差，该频差值随光程差而变，即随平板移动而变化，因此可以得到楔形平板转角的信息。系统中光线4次通过楔形平板，采用了差动结构，可以消除楔形平板的平移和摆动误差产生的影响。该系统可以自动判别转台的转动方向，可测量360度范围内的转角，动态相应范围为4r/s。但是，系统灵敏度在整个测量方位内不是常数，为了克服这以缺点，使用在空间相互垂直的两套测量光路以消除90度和270度两个死点，这样就使系统的体积非常庞大，结构复杂。另外，由于使用多个角锥反射镜，使光路装调比较困难，很难在实际中应用。为了解决以

29、上问题，本文作者在此原理的基础上提出了一种基丁光栅楔形平板的双频激光干涉角度测量的新方法，可以简化测量装置，相应的提高系统灵敏度和测量精度。由上所述可以看出激光干涉测角法的最大优点是准确度高、信号均匀性好、信噪比高，有希望达到通常方法达不到的准确度，因此在高精度角度测量中得到了大量的运用。其缺点是结构复杂，较难在现场使用。随着激光干涉测量仪器的改进及新型激光光源的诞生和改进，可以得到进一步发展。 2.4 环形激光测教法环形激光器已发展成为在360度整周角度范围内的高测量精度和高测量分辨力的角度和角速度传感器，在惯性导航和角速度定位方面有重要的用途。环形激光是转速测量准确度最高的方法，转速测量相

30、对准确度可达到106。研究环形激光器最多的国家是德国和俄罗斯。用该技术测角有以下优点：（1） 易实现自校，可以在测量过程中确定环形激光器的比例因子，从而大大减少了测量误差。 （2） 可以实现高速转角测量，动态响应范围宽。（3）可以在转速测量的同时实现转角测量，还可以测量瞬态转速。缺点是加工工艺难以保证，成本高，对环境要求严格，这是环形激光器没有得到大量应用的最主要原因。主要误差来源是频锁、零飘、频率牵引和地球自转的影响。环形激光测角的基本原理如图10所示。当被检量具和环形激光器相对于静止的光电自准直仪同步转动时，在瞄准轴与量具棱面发现相重合的瞬间，被测角度转换成由光电流触发和停止脉冲所需的时间

31、间隔，接口装置在此间隔内对环形激光脉冲读数31。圣彼得堡电子大学和PTB合作研制的精密环形激光测角计可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转物体的外部角度测量和测角仪本身的内部旋转角测量。该装置的原理和上面介绍的基本相同。为了消除环形激光器比例系数绝对值长时间波动引起的测量误差，与测量过程同时进行激光器校准，即用2角度（整转）内的周期数相加的方法确定环形激光器差频周期角值。与标准角度测量方法相比，该装置在1r/s的转速范围内，测量准确度达到0.5rad(0.1)32。他们还将环形激光用于衍射光谱仪衍射角的测量，在0度到360度范围内测量误差大约为0.05弧秒33。2.5 总结通过对目前常用的几

32、种光学测角的方法的介绍可以看出，光学测角法在角度测量中已经得到了广泛的应用，并且达到了很高的测量精度。圆光栅在角度测量中的应用非常广泛，在整周任意角度的测量中也达到了极高的准确度。其缺点是对光栅与转台的对心准确度要求较高，高准确度光栅的制作加工困难。光学内反射法小角度测量的主要优点是体积小，可以做成袖珍式测角仪，但其测量范围也很小，因此只能用于小角度测量。激光干涉测角技术的最大优点是测量精度高，小角度测量已经达到了极高的准确度，各种不同的测量仪器在静态和动态测量的条件下也具有结构简单、稳定性好、仪器只能化等许多优点。作适当的改进，消除误差因素可进行整周角度测量。但目前的效果不很理想，测量精度不

33、是很高，而且体积庞大，不适合在现场使用，因此还需要作进一步研究。在整周角度测量中，环形激光器被认为优于目前其他技术。该方法的缺点是只能实现动态测量，对测量条件要求很高，但该方法在动态整周角度测量方面是一个非常有前途的发展方向。 第三章大比例尺数字测图3.1数字测图的产生 传统的地形测量是用仪器在野外测量角度、距离、高差，作记录(称外业)，在室内作计算、处理，绘制地形图(称内业)等。由于地形测量的主要成果地形图是由测绘人员利用分度器、比例尺等工具模拟测量数据，按图式符号展绘到白纸(绘图纸或聚酯簿膜)上，所以又俗称白纸测图或模拟法测图。 随着电子技术、激光技术、计算机硬件和软件技术的发展，产生了测

34、距仪、全站仪、陀螺仪等光电结合型的测绘仪器，传统的测绘方法因此而发生了巨大的变化。全站仪作为当前应用最为广泛的测绘仪器，是电子技术与光学技术结合发展的光电测量仪器，集测距仪、电子经纬仪的优点于一体。在智能型全站仪中采用了光、电、磁、机的最新科学成果，具有了测距、测角功能。国际上先进的全站仪均以存储卡、内部存储器或电子手薄的方式记录数据，具有双路传输的通讯功能，可以与外部计算机或电子手簿进行数据的相互传递，也可以依靠外部计算机或电子手簿的指令进行测量工作。以全站仪为代表的智能化、数字化仪器是测量仪器今后的发展方向之一。有了全站仪等先进测量仪器和计算机技术的大力支持，就可以建立三维数据自动采集、传

35、输、处理的测量数据处理系统，将传统的手薄记录、手工录入、繁琐计算等大量的重复性的工作角有计算机处理，在减轻工作人员工作强度的同时效益提高了，速度加快了，精度也得到了保证和提高。 科学技术的进步，信息化测量仪器全站型电子速测仪的广泛应用，以及微型计算机硬件和软件技术的迅猛发展与渗透，促进了地形测绘的自动化，并成为大比例尺地形测量全面革新的最积极、最有活力的因素和最可靠的技术保障，地形测量从白纸测图变革为数字测图，测量的成果不仅是绘制在纸上的地形图，更重要的是提交可供传输、处理、共享的数字地形信息，即以计算机磁盘为载体的数字地形图，这将成为信息时代不可缺少的地理信息的重要组成部分。3.2测量方法与

36、手段的发展 在测量仪器发展的同时，测量方法与手段也在不断发展。 以卫星遥感（RS）、全球定位系统（GPS）为代表的空间对地观测技术在测绘科学中的应用日趋成熟，遥感包括卫星遥感和航空遥感，基于遥感资料建立数字地面模型（DTM）进而应用于测绘工作已获得了较多的应用。GPS(global positioning system)是美国国防部于1973年组织研制的军用导航定位系统，80年代商品化并推广到民用，引起各界广泛的注意。GPS定位方法精度高，方便灵活。GPS定位技术在测绘中的应用和普及，是测绘科技的一个重大的突破性进展。GPS已经成为大地测量的主要技术手段，不仅具有全天候、高精度和高度灵活性的优

37、点，而且与传统的测量技术相比，无严格的控制测量等级之分，不必考虑测点间通视，不需造标，不存在误差积累，可同时进行三维定位等优点，在外业测量模式、误差来源和数据处理方面是对传统测量观念的革命性转变。 惯性测量系统（Inertial Surveying System：ISS）是一种导航定位技术，具有全天候、自主式、快速多能和机动灵活等优点。为大地测量、工程测量和矿山测量作业的自动化和全能型提供了另一种新的技术手段。它是一种利用惯性导航的原理同时获取多种大地测量数据（经纬度、高程、方位角、重力异常和垂线偏差等）的技术系统。ISS可分为两大类：平台式和捷联式。ISS在测绘领域的主要应用于：（1）控制测

38、量；（2）管线监测、定位、地壳变形、地表沉陷观测；（3）井下定位、各种工程和建筑测量；（4）地震、重力测量、地球物理研究；（5）井筒和管道梁的垂直性监测等。GPS/ISS组合系统能够使GPS与ISS的性能得到很多互补，以整体大地测量模型进行数据处理，同时确定三维坐标和大地水准面，是满足高精度导航和定位要求的发展方向之一。3.3大比例尺数字测图系统的发展与简化 这些测量仪器与测量技术的发展结果，显而易见的是外业的工作方式：携带的基本物品是一台全站仪、一个三脚架、两根标杆、两个棱镜和一卷钢尺（还可以加一个电子手簿或装有测量软件的便携式计算机），测量的计算工作全部交给全站仪或计算机，如果电子手簿提供

39、功能或使用便携式计算机，就可以同时编辑图形、加注属性，将测量的大部分工作在外业中完成，现在大量使用的一些电子平板测量系统就是这样的。虽然提高了效率、减轻了强度，可是外业人员还会抱怨要带的仪器过多，对于测图系统集成的呼声日益高涨。所谓测图系统，包括测量仪器和大比例尺测图软件以及软件的运行平台；所谓简化，是在不降低测量技术水平和工作效能的条件下使用最少的设备，提高测图软件的实用性和易用性。所以测图系统要简化，不但测图软件和软件运行平台的集成度要提高，而且测量仪器也要利用先进的电子技术和机械制造技术实现一机多能。 借鉴电子平板测量系统产生了全站仪自动跟踪测量模式。测站为自动跟踪式全站仪，可以无人操作

40、；棱镜站有跑镜员和电子平板操作员(甚至平板操作员兼任司镜员)。全站仪自动跟踪照准立在测点上的棱镜，测量的数据由测站自动传输给棱镜站的电子平板记录、成图。瑞典捷创力(Geotronic)、日本拓普康(Topcon)等推出的自动跟踪全站仪的单人测量系统，再加上电子平板即可实现此模式。1997年徕卡(Leica)推出的TCA全站仪+RCS1000控制器(遥控器)，实现了遥控测量(remote control surveying，RCS)，使自动跟踪测量模式更趋于现实。测站无人操作，而在镜站遥控开机测量，全站仪自动跟踪，自动照准，自动记录，及时获取观测成果，还可在镜站遥控进行检查与编码。TCA遥控测量

41、系统与电子平板连接，则可实现自动跟踪模式的电子平板数字测图。目前此种模式价格昂贵，适用于特定的应用场合。 在两年前，FIG第21届大会于1998年7月19日25日在英国南部沿海城市布徕顿召开，近百个国家和地区千余代表参加了会议。当时会议上有关GPS的论文较多，充分反映了GPS技术发展迅速、应用广泛，GPS系统仪真正成为高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位、定时的多功能系统。当时会议中反映出的信息是：（1）一种GPS和GLONASS相结合的新型的GPS接收机在一个测站上可能利用多达20颗卫星，精度和适应性将大大提高。（2）GPS接收机与全站仪相结合的新型全站仪已经问世，这种仪器具有GPS和全

42、站仪的特性，适应于任何测量工作。（3）无反射镜的全站仪已走向市场，而且精度有所提高，这使全站仪向自动化方向又迈进了一步。（4）能够自动照准天然目标的新一代测量机器人的设计思想已经成熟，不久将有仪器问世。 现在两年过去了，FIG第21届大会中所提到的必然已经有了长足的发展，其中一些可能已经实现。在如今的测绘作业中，工作方式正由全站仪单独作业向全站仪配合电子手簿或便携式计算机的电子平板方式过渡。在这一方式产生巨大经济效益的同时，也暴露出了该方式的不足之处，便携式计算机价格较高，保养维护要求高，装有测量软件的便携式计算机虽然功能强大，但在携带、操作、工作时间、工作环境要求等方面与电子手薄相比略显不足

43、，而电子手薄虽然价格较低，但是功能有限，除了测量数据的计算功能外，只有少数的几种能够显示图形，大多数只是一个数据的载体。那么能否将便携式计算机与电子手薄的优势互补？可以，性能不断加强的掌上式电脑装上专业定制的测量软件后，就达到了便携式计算机和电子手薄的最佳组合。例如，海信新型HPC提供了20RAM（随机存取内存），为操作系统及应用软件提供了足够的运行空间，极大的提高了应用软件的运行速度，减少手写输入的识别时间，真正实现了“即写即现”，这种掌上电脑尺寸小、低能耗、重量不足500克。它的袖珍存储卡扩展槽提供掌上电脑功能的扩展，如网卡、快闪存储卡以及无线传输卡等，使用此项功能可以在任何时候插入或退出

44、CF扩展卡。当插入快闪存储卡的时候，就可以将资料存进卡内；当需要使用其所对应的应用软件时，可以直接按下快捷健，系统会自动开机并进入相应的应用软件。掌上电脑使用图形用户操作界面的操作系统，具有良好的图形显示和交互操作的特性，由电子手簿的Yes或No的应答式操作改为人机交流的交互式操作；装载了专业测量软件后，就成为了小型的测图软件平台，在这个平台上可以利用测量软件的功能，将全站仪采集的离散点数据编辑成带有属性的图形数据，在编辑的同时就可显示在屏幕上，也就是“即测即现”；由于掌上电脑屏幕分辨率的提高，显示的图形将更细腻、更精确，使得在测量现场就可对数据进行检查；低能耗的优点，不仅是满足长时间作业的要

45、求，而且保持了作业的连续性，在最佳的测量条件下进行最多的测量作业，减少测量环境对测量数据精度的影响。 掌上电脑在测量中的使用必将推动测绘业的发展，产生巨大经济与社会效益，为国家基础设施建设、矿产资源调查利用、百姓交通旅行、国防建设、环境保护等与国家和个人息息相关的多方面提供有力支持。但从长远来看，这只是测图系统集成的一个阶段。3.4大比例尺数字测图的美好未来 发展创造需求，需求指引发展，测图系统的集成是必然趋势。GPS和全站仪相结合的新型全站仪已被用于多种测量工作，掌上电脑和全站仪的结合或者全站仪自身的功能不断完善，到时如果全站仪的无反射镜测量技术进一步发展，精度达到测量标准要求，那么测量工作

46、只需携带一台新型全站仪和一个三脚架，而操作员也只需一人。展望未来，随着科技的进一步发展，将来的大比例尺测图系统将没有全站仪和三脚架，只是操作员的工作帽上安着GPS接收器以及激光发射和接收器，用于测距和测角，眼前搭小巧的照准镜，手中拿着带握柄的掌上电脑处理数据、显示图形，腰上别着的无线数据传输器则将测得的数据实时传回测量中心，测量中心则收集各个测区的测量数据，生成整体大比例尺地形数据库。这就是大比例尺数字测图的美好明天。结 论 随着现代科学技术以及复杂的自动控制系统和信息处理理论和技术的提高，光电信号变换与检测技术的不断涌现，综合性的自动化、智能化的光电系统得到进一步发展，形成了包括光学、精密机

47、械、电子学和计算机科学的高度知识集中的新学科-光学精密机械电子学。这种跨学科的边缘技术就是光电技术。现在，光电技术已广泛应用于工业、农业、文教、卫生、国防、科教和家庭生活等各领域。在这些领域中几乎都涉及到将光辐射信号转换为电信号的问题，即光辐射的检测。因此，光电检测技术是光电技术的核心和重要组成部分。光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，它以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载荷有被检测物体信息的光辐射进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理等参数。因此，光电检测技术是现代检测技术最重要的手段和方法之一，是计算检测技术的一个重要的发展方向。现代信息技术的主体是光子技术和微电子技术，而光子技术和微电子技术结合，它们相互交叉、相互渗透与补充，就形成了光电信息技术，光电信息技术的主要内容是电光信息转换和光电信息的转换和应用，