全站仪棱镜常数及其测定方法浅析

全站仪棱镜常数及其测定方法浅析

作者：航二勘测作业部张燕鹏

摘要：采用电子全站仪测得的距离与实际距离之间的常差,即为棱镜常数。棱镜常数作为全站仪内部的一项设置参数，其设置的是否正确直接影响着观测成果的可靠性和精确性。棱镜常数是由于棱镜的反射中心与镜架中心不相符的差值以及光在空气中的传播速度与在玻璃中的传播速度不同的差值，共同造成的，实际工作中可以采用三段法进行测定棱镜常数。

关键字：全站仪；棱镜常数；三段法；

1全站仪原理简介

电子全站仪是一种可以同时进行角度测量和距离测量,由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。由于只要一次安置,仪器便可以完成在该测站上的所有测量工作,故被称为“全站仪”。它不仅精度高、速度快、操作方便,而且带有丰富应用程序,具有常规测量仪器不可比拟的优点,已广泛用于测绘、测试、监测等诸多领域。电子全站仪的测距部分相当于光电测距仪,一般用红外光源或者激光光源,测定至目标点的斜距,并可通过自身的中央处理单元计算平距和高差。

图一全站仪工作原理图

2 棱镜常数的产生

电子全站仪测距时,棱镜反射镜是目标点上作为反射器的主要合作目标。棱镜反射镜简称棱镜。构成反射棱镜的光学部分是直角光学玻璃锥体,它如同在正方体玻璃上切下的一角,透射面呈正三角形,三个反射面呈等腰三角形。反射面镀银,面与面之间相互垂直。由于这种结构的棱镜,无论光线从哪个方向入射透射面,棱镜均会将入射光线反射回入射光的光射方向。因此测量时,只要棱镜的透射面大致垂直于测线方向,仪器便会得到回光信号。由于光在玻璃中的折射率为1.5～1.6 ,而光在空气中的折射率近似等于1 ,因此光在棱镜中传播所用的超量时间会使所测距离增大一固定数值;另外棱镜中心不一定就为棱镜的反射中心，他们之间同样会存在差值；

综上所述，棱镜常数是由于棱镜的反射中心与镜架中心不相符的差值以及光在空气中的传播速度与在玻璃中的传播速度不同的差值，共同造成的。

图二棱镜结构图

3棱镜常数设定对测量成果的影响

棱镜常数未改正会直接引起测距误差,在导线测量中间接地形成测角误差,从而导致目标点的坐标偏移误差。试想如果在实际测量工作中所用点坐标有误,势必会造成整个测量成果不同程度的坐标移位。虽然棱镜常数的改正数往往只有几个厘米,但在多次支点测量的情况下,误差的传播会导致目标点坐标误差越来越大,其后果就是按照工程精度要求进行重测或者对成果进行误差改正。不管采取何种方式补救,工作量都很大。因此,必须确定棱镜常数,并在事先设置时予以改正。

4 棱镜常数的测定方法

棱镜常数的大小与棱镜直角玻璃锥体的尺寸和玻璃类型有关。全站仪配套棱镜在出厂时都有其固定的棱镜常数值,供测距时使用。因此,配套使用时只需要保持仪器原有系统设置就可。但如果使用的是不配套的棱镜,首先就要确认两棱镜类型是否一样,即保证两棱镜竖轴情况一致后,再预先设置与其相应的棱镜常数。一般来说,一台全站仪的说明书上可以查到配套棱镜的棱镜常数。当使用其他棱镜时,如果仪器内棱镜数与配套棱镜常数相同,就只需要输入该常数进行改正。如果棱镜常数为零,就要输入棱镜常数改正数。在实际工作中,如果棱镜常数未知,或者使用的是不配套的棱镜,则可以采取“三段法”的测距方式来测定其棱镜常数。

图三三段法示意图

在较为平坦的地面上选200m 左右长的线段AC ,如图3 所示,并定出线段AC 上一点B ,保证三点一线，将全站仪置于A 点测平距AB 和AC;置于B 点测平距AB和BC;置于C 点测平距AC 和BC。必要时应进行气象改正,在操作过程中尽可能减小对中误差的影响,测量过程中始终使用同一棱镜，如上图所示。

计算AB、BC 和AC 的平均值AB、BC和AC ,则真实的棱镜常数与现在临时棱镜常数的差值为:C = AC- AB-BC，然后把临时的棱镜常数加上C即得到真实的棱镜常数。该方法简便易行,不需要一个精密基线,适合于野外工地现场校准棱镜常数。

5工程实例

2010年我公司在珠海一次导线测量中发现附和导线附和差严重超限，出现了错误。当时使用的全站仪刚刚检定完成，现场测定2C值，没有超出规范的要求，每次观测对中、整平以及各项限差指标均未超限，经过现场技术人员研究分析，最终确定问题出自棱镜常数。

下面是实测的一组数据，其中A、B、C处于同一条直线上，AB、AC、BC均为多次测量求平均所得，AC-AB-BC=16mm，说明当前棱镜常数为-30mm的情况下，测量值较真值多减去了16mm，所以把棱镜常数改为-14mm，同样的方法再进行测量，确认棱镜常数无误。

把正确的棱镜常数带入上次导线测量的观测成果，对其距离进行修正，最终观测成果完全满足了规范要求的精度。

6 小结

棱镜常数产生的原因是多方面的,主要因为电磁波测距仪及棱镜反光镜的对中点与仪器的发光面及反光镜的反射面之间不一致,及电路的延迟等的影响。在实际测量过程中,如果棱镜与全站仪不配套,又忽略了棱镜常数改正,就会引起测距的误差,而误差的传播便会影响整个测量成果的精确性。另一方面,由于棱镜常数测定有误差,以及检定后在使用过程中仪器光电系统的变化等, 棱镜常数会随着时间的推移发生变化。因此,为了更好地获取高精度测量数据,除了熟悉和理解全站仪及其配套设备构造和工作原理,做到能够熟练正确使用仪器,每次用全站

仪进行测量工作之前,除了要检查包括棱镜常数在内的各项系统参数设置之外,还必须对棱镜常数进行定期的测定,如果是一项大型工程,在开始前和结束后,还应该根据要求对棱镜常数进行检定。

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