折光腔法鉴相式大长度测量仪检定方法

黄　稣，潘嘉声,张　勇

（1.广东省现代几何与力学计量技术重点实验室，广东 广州 510405；2.广东省计量科学研究院，广东 广州 510405）

折光腔法鉴相式大长度测量仪检定方法

黄稣，潘嘉声,张勇

（1.广东省现代几何与力学计量技术重点实验室，广东 广州 510405；2.广东省计量科学研究院，广东 广州 510405）

大长度测量仪检定工作一般在野外基线场上进行，耗时费力、强度高效率低、受环境影响严重等问题一直困扰计量检定人员。为改变这一落后作业模式，在手持激光测距仪室内检定装置研制成功的基础上，该文提出基于折光腔法与虚拟基线理论构造鉴相式大长度测量仪检定装置，拟将野外检定基线场完整搬入室内。利用费马原理设计的折光腔将长度＞1000m的光路压缩在数十米以内，利用光的反射定律推导出虚拟基线（室内大长度各段标准值）的计算方法，同时进一步提出检定装置的结构设计，技术参数及控制措施，并通过对系统潜在影响因素分析以论证该大长度室内检定装置的可行性。

大长度；折光腔；虚拟基线；费马原理

0　引　言

鉴相式大长度测量仪器涵盖了全站仪、光电测距仪等野外测距的仪器，该类仪器在20世纪80年代初进入我国以来，在国内得到广泛应用。作为一种基础计量器具，被我国依法纳入计量器具的管理范畴，国家先后颁布了3个版本的检定规程，该类仪器以1年为周期，必须经过有关部门的周期检定方能合法使用。目前按国家计量检定规程的要求，需在野外长度＞1000 m的场地建立不少于7个基线观测墩，由经过标定的各观测墩间的距离全组合成不少于21段基线边（长度标准值），检定时需要在这些观测墩间来回安置仪器和摆放合作目标。国际上采用标准ISO 17123-4——2012[1]，其检测设备也是野外基线场，检测方法也按全组合模式逐点安放被测仪器和合作目标。可见无论国内国外，检定方法繁琐、工作强度大、检定效率低且严重受野外环境的影响，一直困扰着计量检定人员。为改变“落后”的检定模式，近年来，很多单位进行了相关的研究，典型方法包括标准光纤法、棱镜阵列法等压缩光路的方法，但都存在固有的弊端而未能有效解决该问题[2-6]。本文提出一种采用双平面折光腔的室内虚拟基线场法（折光腔法），目的在于将检定场所从室外搬入室内，并从基本原理、典型构造、技术参数、保证措施及影响分析等方面展示装置的可行性。

1　检定系统测量原理

折光腔法通过压缩光路实现大长度测量仪的检定，由费马原理可得，光沿光程为最小值、最大值或恒定值的路径传播。设光从A到B的光程为L，介质中的任意两点A、B，ds、Δn为AB间的微分距离与介质的折射率，则有：

根据光在均匀透明介质中按直线传播，同时光在均匀透明介质中传播时，折射率各处一致，即Δn1=Δn2=…Δnm=n，其中Δn1～Δnm为各段微分介质的折射率，n为AB间介质的折射率。则有：

如图1所示，假设在空气里一路光从A直接射到B，另一路光从C经E、F、G、H射到D，基于光的直线传播定律，并设第1路光走过的路程为l，第2路光走过的路程为L。

图1　不同光路光程计算示意图

设t和T分别是第1路和第2路光的运行时间，则有：

若T=t，则L=l，因此用测量L的结果替代对l的测量，这即为检定仪“折光腔”的基本原理，测距光束（最大时）按20∶1的压缩比折叠在5 m空间，实现手测设备测量长达105m的设计要求。若将此理应用于大长度测量仪检定装置，只需加大“折光腔”空间（纵向和横向）距离，即可实现该装置模拟野外1 020 m的基线长度。

2　折光腔长度标准计算方法

标准是真值或约定真值，通常是计量标准器的示值（标定值），图2为折光腔长度标准计算示意图，其标准为各段虚拟基线的长度Li。虚拟基线[7-8]的概念是理想光位于被检仪器的位置并按被检仪器的方位射入实际的“折光腔”里，直到返回点时，其间所行进的理论路程。

图2　折光腔长度标准计算示意图

从图中可以看出，“折光腔”中两反射面平行，设其间距离（母光距）为D0，将最初入射角φ1和φ2等量传递到最后的反射角，则虚拟基线的长度计算式可表达为

令i为反射次数，则可得长度标准计算式：

3　大长度测量仪检定系统结构设计参数控制措施

图3为大长度测量仪检定系统的结构设计图，主要由地基平台系统、安装调节系统、折光腔系统、置角测角系统、强制回光系统、工作台系统等组成，主要的改进工作是将折光腔中的两反射体间的距离拉大至合适长度并横向加大面积，改造工作台系统适合安装被检仪器并仅保持其升降功能，即可实现大长度测量仪器的检定，从结构设计上是可行的。

图3　大长度测量仪检定系统的结构示意图

为构造大长度测量仪器检定装置，在搭建上述结构系统时，还需合理设计和控制以下参数：

1）反射体表面的反射率R

反射率要求越高越好，文献[9]指出目前优化膜层的技术反射率可做到R=99.98%。虽然“折光腔”的反射率会损耗光能量，回光能量是其发出时的0.992（R38=0.999838=0.992），但在野外测距时，气候不稳定，大气中的水分子及其他微小物质会吸收光能量，文献[10]指出在2 000 m长度上透过率只有65%，但在“折光腔”中的大气水分子及其他吸光物质大为减少，透过率有望较大幅度提高。以全站仪为例，绝大多数能在野外1000m以上正确测距，在大长度测量仪器检定装置中回光强度将更好，其正确测距不受影响。反射体表面的反射率R在现代多层介质膜镀膜工艺和加工技术条件下，可实现较高反射率。

2）“折光腔”的母光距D0

母光距D0是虚拟基线长度，即标准示值来源，实际是两反射平面间的距离，按规程 （最长基线段＞1 000m）[11]及上述反射率的要求，母光距可由下式计算：

取D0=51m，则虚拟的最长基线为51×20=1020m。母光距D0通过标定技术实现，采用双频激光干涉仪和μBASE高准确度光电测距仪可有效实施对母光距的标定，测量不确定度可控制在10-6以内。激光跟踪仪、甚至高准确度全站仪都可用来标定母光距，只是具体操作模式和标定工艺还值得深入研究，特别是全站仪外部斜射——多段平均法[12]，消除了全站仪自身的固定误差a，并抑制了比例误差系数的影响。

3）“折光腔”的最短宽度B0

入射角φ的临界值经测量为φT=409″，取φT=425″，B0由下式计算：

最短宽度B0通过机械设计和加工予以保证。但还需考虑以下两点：①反射面的尺寸太大将增加费用；②光点在反射面上并非连续分布，因而可采用集成光反元件制作反射体。同时研究光点成面阵（二维）分布的构体，可大大减少镀膜面积，减少成本。

4）“折光腔”两反射面的夹角β

两反射面的夹角理论上为0，但不可能做到，只能越小越好，结合各种因素考虑的影响，取β≤5″。保证两反射面的夹角β目的是保证两反射面大致平行。采用自准直经纬仪，将其安置于“折光腔”中部，并将望远镜调至水平状态，往左照准“折光腔”的任一反射面，利用自准直系统和“折光腔”相互独立的俯仰、偏摆调节机构将该反射面调至垂直于经纬仪光轴；再将经纬仪旋转180°，按同样方法把另一反射面调至与经纬仪光轴垂直，反复两到三次，可将两反射面的夹角调到β≤5″。或者用激光跟踪仪通过两反面间不同距离监控和调整使β≤5″。

4　系统影响因素分析

搭建大长度测量仪检定装置的主要影响因素是光的波动。鉴相式大长度测量仪发出的红外激光经过电频调制，光强随加载电信的频率成正弦变化。但由于该电信频率从几十兆赫兹至几百兆赫兹，波长为几米至几十米，这对于需要考虑光波波长的微观尺度来说是很大的，故在介质和界面上几乎不产生影响或其影响甚微而被忽略。其次，折光腔的反射体通过镀膜增加反射率，光波在多层界膜上的多次反射相干叠加才使反射光获得很高的强度，介质膜层的厚度对母光距D0存在影响，按敏感波长1000nm、17层膜层计算，总厚度为

故引起的母光距误差为8.6 μm，当虚拟基线为1020m时，引起的不确定度为0.16mm，对测量结果的影响可忽略，当用膜层厚度修正母光距（取多膜层反射光的平均效应时）后，不确定度为0.08mm，甚至可采用其他技术将母光距的系统误差测出予以补偿或修正。因此，光的波动效应不会对装置的建立产生决定性的影响。

5　结束语

论文详细阐述了基于折光腔法与虚拟基线理论构造鉴相式大长度测量仪检定装置的原理，以及虚拟基线的标定方法，讨论了实现检定装置的结构与参数控制措施，并指出为实现该装置应保证以下参数：反射体表面的反射率应尽可能高；母光距可通过双频激光干涉仪和μBASE高准确度光电测距仪标定，测量不确定度可控制在10-6以内；两反射面的夹角控制在β≤5″内。

[1]ISO17123-4—2012 Part 4：Electro-optical distance meters（EDM measurements to reflectors）[S].2002.

[2]石磊.全站仪检定中必须注意的几个问题[J].中国计量，2005（6）：65.

[3]杨维芳，傅辉清.光电测距仪检定方法研究进展[J].光学仪器，2008（30）：77-81.

[4]杨维芳.光电测距仪室内长基线建立方法研究[D].武汉：中国地震局地球物理研究所，2009.

[5]杨潘，李新碗，李中方.基于标准光纤的全站仪测距室内检定[J].电子技术，2011（2）：4-5.

[6]史洁琴，何珂，徐永.光纤基线标定激光测距仪方法研究[J].南京航天航空大学学报，2012（6）：830-834.

[7]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（4）：22-25.

[8]潘嘉声，黄稣，张勇.室内虚拟直线基线的研究[J].计量学报，2015，36（1）：19-21.

[9]许春玉，谢德林，杨虎.激光大气传输透过率的分析[J].光电工程，1999，12（29）：8-11.

[10]孔明东，李瑞洁，周九林，等.高反射率光学薄膜的一种新设计方法[J].光电子·激光，2000（11）：62-64.

[11]JJG 100——2003全站型电子速测仪检定规程[S].北京：中国计量出版社，2003.

[12]黄稣，潘嘉声，张勇.手持式激光测距仪室内检定装置的最佳方法及可行性探讨[C]∥测绘仪器装备研究与创新，北京：测绘出版社.

Verification method of phase detector large length measuring instrument based on refraction cavity

HUANG Su，PAN Jiasheng，ZHANG Yong
（1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology，Guangzhou 510405，China；2.Guangdong Institute of Metrology，Guangzhou 510405，China）

Generally，the calibration work is carried out in outdoor fields through large length meters，but it is time-consuming，inefficient and severely affected by the surroundings，which have been long plaguing the metrological verification personnel.Based on the indoor test device for portable laser rangefinder，this paper has proposed to design a calibration device for phasedemodulation large-length measuring instrument according to refraction cavity and virtual baseline theory，that is，to move verification baseline fields from outdoor to indoor.The refraction cavity designed by Fermat’s principle is used to fold the light path greater than 1000m within 10m and at the same the reflection law of light is applied to deduce a calculation formula to calculate the virtual baseline（standard value at each section of indoor large length）.The structure design，technical parameters and control measures of the calibrating device has been discussed as well，and its feasibility has been demonstrated by analyzing the potential influence factors of the system.

long length；refraction cavity；virtual baseline；Fermat’s principle

A

1674-5124（2015）12-0021-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.006

2015-06-21；

2015-07-30

国家质检总局科技计划项目（2011QK306）

黄稣（1957-），男，重庆市人，教授级高工，主要从事测绘仪器的计量检定和科研工作。