室内虚拟直线基线的研究

潘嘉声，黄 稣，张 勇

（广东省计量科学研究院，广东　广州　510405）

室内虚拟直线基线的研究

潘嘉声，黄 稣，张 勇

（广东省计量科学研究院，广东广州510405）

研究了一种室内虚拟直线基线，提出了虚拟直线基线装置建立的原理及采用全站仪进行标定的溯源方法，分析了基线装置的不确定度来源，虚拟直线基线为100 m的距离，估算扩展不确定度U=1.4 mm（k=2）。通过采用该基线装置实际检测手持式激光测距仪，验证了虚拟直线基线的可靠性。

计量学；虚拟直线基线；激光测距仪；不确定度

1　引言

根据检定规程JJG966-2010，对于100 m的手持式激光测距仪（简称“激光测距仪”）的检定，最小受检点为13个，采用的标准器为标准钢卷尺和室外标准基线［1］。针对实际工作中，检定激光测距仪存在劳动强度大、检定成本高等问题，研制了一套室内虚拟直线基线检定装置（简称“基线装置”）。经试验和验证比对，基线装置的主要指标达到了检定激光测距仪技术要求。

2　基本原理

基线装置主要部件由两反射面相向竖立且平行的两反射镜体组成，其工作原理图见图1。工作时激光测距仪从a点发出测距激光，光束在左右镜面间往返反射若干次，最后到达b点，被安置在该点的反射棱镜反射后沿原路回到激光测距仪中，实现测距［2］。由于多次反射的标准距离仅与激光的入射角和两平行镜的初始距离有关，而且与入射角的角度成对应关系。通过调整旋转机构控制不同的入射角获得激光不同的反射次数，即可得到虚拟直线基线不同的标准距离，再用激光测距仪的测距读数与标准距离做比较，从而获得激光测距仪的测距误差。

图1　工作原理图

激光束在两镜面间共反射n次时，根据光路反射定理，计算光束从a点到b点行进的虚拟基线标准距离为：

式中：A为测距仪到左镜面的垂直距离；B为反射棱镜中心到右镜面的垂直距离；D0为反射面间的初始距离；I0为光束反射n次时的入射角。

3　基线装置组成及D0的获取

基线装置安装在地下恒温室中，环境温度控制在（20±1）℃。两反射镜的反射率大于99％，厚度为5 mm，反射表面的平面度小于0.005 mm，采用螺钉压紧在两竖立的大理石板上。两大理石板的底座的倾角均可调节，采用自准直仪监控，调整两反射镜的平行度误差在10″以内。旋转机构安装了角度误差不大于5″高精度编码器，激光测距仪由定位机构固定，基线装置的示意图如图2所示。

图2　虚拟直线基线装置示意图

利用Ⅰ级全站仪采用差分法来测量D0，根据式（1），反射次数n=i时，则有：

式中：Li和Ii分别为光束反射i次时的标准长度和入射角。

同理，当n=i+m次时，则有：

将式（3）与式（2）相减，得到初始距离关系式：

设定A=0.187 m，B=0.008 6 m。精确调整入射角度，使反射次数分别为2至12次，代入式（4）计算各反射次数所对应的D0、各反射距离和（对应10倍到1倍的初始距离），见表1。求得所有反射距离的总和为272.844 41 m（共计55倍的初始距离），则平均值获得初始距离D0=4.960 8 m。

表1　初始距离计算表

4　实验验证及不确定度分析

4.1实验验证

用DISTO TM D5激光测距仪进行装置可靠性实验验证，测距仪的读数值与虚拟直线基线的标准距离值列于表2。根据激光测距仪检定规程，0级准确度的测距仪最大允许误差为±（1.5 mm+5 ×10-5L，L为测距值，下同），从实验数据得出该激光测距仪符合0级准确度的技术要求。

表2　L值和激光测距仪读数值对应表

实验环境条件：温度为19.9℃～20.1℃；相对湿度为45.9％～47.3％；大气压为101.2～101.4 kPa。求虚拟直线基线的标准距离L时，采用的计算常数分别为A=0.183 51 m、B=0.008 6 m、D0= 4.960 8 m。

为了进行比较，该激光测距仪又按检定规程JJG966-2010的方法进行了检定。两种方法所得误差的最大差值均出现在测量距离为85 m处，两者相差0.5 mm。考虑两种测量方法均存在不超过1.5 mm的测量不确定度，根据文献［3］，采用的室内虚拟直线基线装置可以对激光测距仪进行检定。

4.2不确定度分析

采用该室内虚拟直线基线装置来检定激光测距仪时，测量不确定度主要来源有：室内虚拟直线基线装置的标定不确定度、两反射镜平面的平行度、反射镜的平面度。

虚拟直线基线是采用Ⅰ级全站仪来标定的，全站仪的测距最大允许误差为±（1.0 mm+1×10-6L），按均匀分布处理，则该项引入的不确定度分量为（0.58 mm+0.58×10-6L），虚拟直线基线为100 m的距离，该项不确定度为0.64 mm。根据文献［4］两反射镜平面的平行度在初始距离上引入的极限误差不超过±0.05 mm，按均匀分布处理，虚拟直线基线为100 m的距离，引入的不确定度分量为0.29 mm。采用坐标测量机检测每块反射镜的平面度不超过0.005 mm，引入的不确定度0.003 mm，该项在虚拟直线基线为100 m时，不确定度分量估算为0.03 mm。合成以上各分量［5］，虚拟直线基线为100 m，合成标准不确定度为0.70 mm，取包含因子k=2，则扩展不确定度U=1.4 mm。

5　结论

室内虚拟直线基线装置经理论分析和Ⅰ级全站仪验证比对，其准确度和可靠性达到检定手持式激光测距仪的要求。如采用更高准确度的测距仪器（如激光跟踪仪）［6］来标定两平行镜的距离，可提高该装置的测距可靠性。如初始距离增加到50 m后，可在室内实现长度达1 km以上的虚拟直线基线，为各类测距仪器开辟新的检定手段。

［1］JJG966—2010手持式激光测距仪检定规程［S］，2010.

［2］黄稣.建立室内虚拟长度基线场的可行性探讨［J］.计测技术，2006，26（4）：22-25.

［3］JJF 1033—2008计量标准考核规范［S］，2008.

［4］黄稣.平行度误差与虚拟基线场的构建［J］.计测技术，2008，28（1）：12-13.

［5］JJF 1059.1—2012测量不确定度评定与表示［S］，2013.

［6］JJF 1242—2010激光跟踪三维坐标测量系统校准规范［S］，2010.

Research on Indoor Virtual Linear Baseline

PAN Jia-sheng，HUANG Su，ZHANG Yong
（Guangdong Institute of Metrology，Guangzhou，Guangdong 510405，China）

A virtual indoor straight baselines is researched.The method of calibration for virtual linear baseline by electronic total station and the principle of establishing indoor straight baselines are proposed.With the sources of uncertainty analyzing，the expanded uncertainty U=1.4 mm（k=2）is estimated，when the distance of the virtual indoor straight baselines is 100 meters.The hand-hold laser distance meter is tested by using the virtual indoor straight baselines.The results show that it is reliable.

Metrology；Virtual linear baseline；Laser distance meter；Uncertainty

TB92

A

1000-1158（2015）01-0019-03

10.3969/j.issn.1000-1158.2015.01.05

2013-12-13；

2014-07-26

国家质检总局科研项目（2011QK306）

潘嘉声（1958-），男，辽宁台安人，广东省计量科学研究院高级工程师，主要从事几何量精密仪器计量检测技术的研究。pjs@scm.com.cn