国产全站仪即将迎来又一轮技术变革
时间：2012-12-26浏览： 次责任编辑：四川拓图测绘仪器
10万台全站仪、13万台电子经纬仪，这个数量在当初连做梦都不敢想的事情，在16年后的今天变成了现实。
作为在南方全站仪厂从事电子经纬仪、全站仪研制与生产工作16年之余的我，激动不已的同时也未免有些压力：经历了16年的发展，我们的产量已经达到了世界第一，全站仪的中低端方面已经和国外发达的厂商站到了同一起跑线上，但在高精度自动伺服全站仪（机器人全站仪）方面还存在较大的差距。在未来的3到5年的时间内，研制和批量生产自动伺服全站仪，应该是我们的首要任务。
目前，南方北京工厂基本掌握了高精度自动伺服全站仪的各项关键技术，主要包括高精度测角系统、高精度测距系统、瞄准跟踪系统和伺服驱动系统。
（一）高精度测角系统
（1）放弃原先的半浮动立轴结构，采用密珠轴系。密珠轴系是北京工厂最新研制的立轴系统，轴系的内轴和外轴通过两套精密钢珠配合，纵向靠平面保持架上的钢珠定位，横向靠圆柱型保持架上的钢珠与内轴和外轴的两个曲面过盈配合，即无间隙配合。内外轴相对旋转时，保持架上的钢珠在公转圆周上做自传滚动。
密珠轴系有以下优点：
A、内外轴和钢珠是过盈配合，过盈量选择合适，保证在－40℃～＋60℃的范围内，无间隙转动，精度不丢失。
B、圆柱型保持架上安排了100多颗精密钢珠，每颗钢珠的旋转轨迹均不重合，可以认为内轴的旋转中心为100多个钢珠公转圆心的平均值，使旋转轴的精度更高。
C、只有滚动摩擦，无滑动摩擦，轴不易卡死、转动灵活。
（2）采用绝对编码测角技术，在水平轴和垂直轴上都安装四个角度读取头，尽可能地减少旋转轴及镀盘的偏心误差。
试验证明，采用了密珠轴系和四个读取头的测角系统，水平角的精度完全能达到1秒级甚至更高级别的精度。
（二）高精度测距系统
（1）全新的五同轴光路设计，即望远、测距激光发射、测距激光接收、瞄准光源发射和瞄准图像接收五个光轴的同轴。测距激光采用中心发射，四周接收的光路系统，主物镜发射部分打通。发射光从仪器内部射出时，尽量减少穿过物镜的介面数量，使光串扰大为减少。
（2）采用相位式测量，提高测距频率。
众所周知相位式测距仪的测尺长度λ=C/2f，C=光在空气中的传播速度（约30万公里/秒），f=电磁波测距的调制频率。提高调制频率就能降低测尺长度λ，当测相器的测相精度相同时，减小测尺长度就能提高测量精度。国内常规测距仪的测距调制频率一般为15MHz~60MHz，我们把在伺服全站仪上的测距载波频率提高为150MHz，即精测测尺长度λ将缩短为1.0米。精测测尺的缩短使得在鉴相精度和信噪比都不变的情况下，仪器精度大为提高。
（3）采用频谱分析法测相。伺服全站仪所采用的测相原理和频谱分析仪的原理相似，对测距信号通过高精度模数变换器（14位）高速定时采样，得到与采样周期间隔相同的离散信号序列；对该离散信号进行快速傅里叶变换（FFT），就可得到测距信号的幅值和相位。经理论证明和实验证明，此测相方法的鉴相精度能达到万分之一。如果伺服全站仪的测距精测测尺选为1.0米，鉴相精度可达0.10毫米，完全满足伺服全站仪高精度测距的要求。
（三）瞄准跟踪系统
瞄准跟踪系统是伺服全站仪的核心技术，完成对目标棱镜的搜索、精确瞄准和锁定。瞄准跟踪系统由红外面光源系统、光学成像系统、图像处理系统组成。
（1）红外面光源系统：由高亮度红外激光二极管、混相光纤和准直透镜组成，激光二极管近似为点光源，和特殊的光纤耦合，经过混相处理后在光纤的出射端面形成一个光密度均匀的面光源。由面光源发出的红外光经过准直透镜准直后以充满望远镜视场（视场角1.5度）的角度照亮全站仪前方视场。
（2）光学成像系统：和全站仪的望远镜系统、测距系统共用一套光学系统。在有效距离和望远镜视场内被红外光照亮的目标棱镜的影像，通过光学系统的分光和成像，照射到图像传感器面阵CCD上。
（3）图像处理系统：该系统把聚焦在面阵CCD上的目标棱镜的实像（是中心对称图像）读到高速缓存中，经过高速微处理器对形状和亮度信息的处理，计算出目标棱镜在望远镜视场的精确位置，由于采用高像素（480X480）的面阵CCD，并且对图像通过10位A/D进行采集，最后经过科学的计算可以把目标棱镜在视场的位置定位误差确保在1秒以下，远远高于人眼的分辨精度。
（四）伺服驱动系统
伺服驱动系统是高精度伺服全站仪的运动执行环节和核心部分，该系统由驱动电机（含编码器）、编码手轮、微控制器组成。主要完成以下几个功能：
（1）在搜寻或快速接近目标棱镜时，全站仪的照准部或望远镜需要高速转动，此时马达高速转动，马达自带的编码器粗略测量仪器的转动角度，并控制马达的转速和转动与否。
（2）在伺服全站仪需要精确瞄准目标棱镜时，需要微调仪器来瞄准目标棱镜。此时马达低速转动，由瞄准跟踪系统测得的棱镜在视场主的位置与主光轴的偏差来控制马达的转速和转动与否，同时角度测量系统测出水平角度和垂直角度。
（3）当伺服全站仪跟踪锁定目标棱镜时，仪器连续执行精确瞄准目标棱镜的动作，并同时测量水平角和垂直角。
（4）当伺服全站仪需要转动到用户设定的角度时，马达起初高速旋转，马达自带的编码器粗略控制转动角度。在接近设定的角度时，马达慢速旋转，角度测量系统进行角度测量并来控制马达的转速和转动与否。
（5）当用户微调仪器的微调手轮时，微调手轮上的旋转编码器输出的正交编码信号控制马达微步转动，并同时测量水平角和垂直角。
以上是南方测绘所掌握的伺服全站仪的各项关键技术，绝大部分已经验证通过，样机试制也已经完成，正处在综合试验、联合调试和实地测试检验阶段，预计2012年会进入小批量生产阶段。
随着地理信息产业的不断发展壮大，未来几年对海量数据的需求也会日益增大，到那时高效率、高精度、全自动的伺服全站仪会逐渐站上测绘的舞台并快速成为主角，已经做好准备的南方测绘也会把握这次机会，成为不仅产量世界第一，并且技术世界领先的大厂，为我国从现在的测绘仪器大国走向测绘仪器强国做出应有的贡献。
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