3.8　电子经纬仪

光学经纬仪是利用光学的放大和折射依靠人工来进行度盘读数的，而电子经纬仪则是利用光电转换原理和微处理器自动对度盘进行读数并显示于读数屏幕，使观测操作简单，避免产生读数误差。电子经纬仪能自动记录、储存测量数据和完成某些计算，还可以通过数据通信接口直接将数据输入计算机。

3.8.1　电子经纬仪构造

电子经纬仪是集光、机、电为一体的新型测角仪器，与光学经纬仪相比，电子经纬仪将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且可避免读数误差的产生。电子经纬仪的自动记录、储存、计算功能，以及数据通信功能，进一步提高了测量作业的自动化程度。电子经纬仪采用了光电扫描测角系统，其类型主要有：编码测角系统、光栅盘测角系统及动态（光栅盘）测角系统等三种。

电子经纬仪同光学经纬仪最大的不同就是其读数系统：光学经纬仪直接从度盘分划读数；而电子经纬仪从度盘上取得电信号，将电信号转换成角度，自动显示在显示器上或记录在电子手簿中，因此它比光学经纬仪多了电子显示器，少了读数显微镜管。

电子经纬仪的基本构造及性能基本相同，图3-35为苏州一光生产的DT302C型电子经纬仪。不同厂家生产的电子经纬仪在功能上都大同小异。一般在开始作业前，要对仪器进行相应设置。

①角度测量单位。仪器通常有几种不同的角度计量单位，360°、400gon（1gon=0.9°）、640mil（640mil=360°）。

②竖直角零方向的位置。可选择天顶为零方向或水平为零方向，分别测得天顶距和竖直角。

③竖盘指标自动补偿。可以选择自动补偿或不补偿。

④测量次数。可以选择单次测量，也可以选择连续测量。

3.8.2　电子经纬仪测角原理

电子经纬仪机械部分的基本构造与光学经纬仪相似，测角方法也类同。它们最重要的不同点在于读数系统，电子经纬仪是利用光电转换原理将通过度盘的光信号转变为电信号，再将电信号转变为角度值，并可以将结果存储在微处理器内，根据需要进行显示和换算以实现记录的自动化。电子经纬仪按取得信号的方式不同可分为编码度盘测角、光栅度盘测角和动态测角三种。现将其基本原理介绍如下。

（1）编码度盘测角

图3-36是一个二进制编码度盘图。整个度盘圆周被均匀地分成16个区间，从里到外有四道环（称为道码），黑色部分为透光区（或称导电区），白色部分为不透光区（或非导电区）。设透光（或导电）为1，不透光（或不导电）为0，根据各区间的状态可列出表3-5。根据两区间的不同状态，便可测出该两区间的夹角。

识别望远镜照准方向落在哪一个区间是编码度盘测角的关键设备。现以图3-37来说明这一设备的原理。

图3-37为度盘半径的某一方向。在半径方向的直线上，对每一码道设置两个接触片，一个为电源，另一个为输出。测角时设接触片为固定的，当度盘随照准部旋转到某目标不动之后，接触片就和某一区间相接触，由于黑、白区的导电或不导电，在输出端可得到该区间的电信号状态。图3-37的状态为1001，它代表图3-36的第9区间。如果照准部转到第二个目标，输出端的状态为1110，即表示第14区间的状态。那么两目标间的角值就是由1001与1110反映出为第9至14区间的角度。

实际上在电子经纬仪中，是通过度盘的光信号来带头上述接触片的。在度盘的上部为发光二极管，度盘下面的相应位置是光电二极管。对于码道的透光区，发光二极管的光信号能够通过而使光电二极管接收到这个信号，使输出为1。对于码道的不透光区，光电二极管接收不到信号，则输出为0。

编码度盘所得角度的分辨率与区间数s有关，即=360°/s，而s与码道数n的关系为s=2的n次方。于是，如图3-37码盘的角分辨率为22.5°。如果码道数增至9，角度分辨率也只有42.19'。如果要求分辨率为20'，则码道数为16。在度盘半径为80mm，码道宽度为1mm的条件下，最里面一圈的码道在一个区间的弧长将是0.006mm。要制作这样小的接收元件是很困难的，因此，直接利用编码度盘不容易达到较高的测角精度。

上述二进制编码度盘还有一个缺点，当光电二极管位置紧靠码区边缘时，可能会误读为邻区的代码，使读数发生大错，后来发明了一种循环码（又称葛莱码），使相邻码区间只有一个码不同，减少了误码的可能性。美国HP公司生产的HP3820A型电子经纬仪即为8位码道数的循环码，将圆周分为2⁸=256格，每分格为1.4°。为了精确测角，必须设置角度的细分装置，该仪器是采用了两个独立的电子测角内插系统，分辨率分别为10'和0.3'，这样，就构成了电子测角的三级控制，三者综合给出所测角度。

（2）光栅度盘测角原理

如图3-38（a）所示，在玻璃圆盘的径向，均匀地按一定的密度刻划有交替的透明与不透明的辐射状条纹，条纹与间隙的宽度均为a，这就构成了光栅度盘。

如图3-38（b）所示，将两块密度相同的光栅重叠，并使它们的刻划线相互倾斜一个很小的角度，此时会出现明暗相间的条纹，该条纹为莫尔条纹。莫尔条纹的特点是：两个光栅的倾角θ越小，相邻明、暗条纹间的间距ω（简称纹距）就越大，其关系为

　　（3-18）

式中，θ的单位为“分”；ρ'=3438'。例如，当θ=20'时，纹距=172d，即纹距ω将栅距d放大了172倍，这样就可以对纹距进一步细分，以达到提高测角精度的目的。

当在两光栅刻划线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹在刻线方向移动。当光栅度盘相对移动一条刻线距离时，莫尔条纹上下移动一个周期，即明条纹正好移动到原来邻近的一条明条纹的位置上。

如图3-38（a）所示，为了在转动度盘时形成莫尔条纹，在光栅度盘上安装有固定的指标光栅。指示光栅与度盘下面的发光管和上面的光敏二极管固连在一起，不随照准部转动。光栅度盘与经纬仪的照准部固连在一起，当光栅度盘与经纬仪照准部一起转动时，即形成莫尔条纹，随着莫尔条纹的移动，光敏二极管将产生按正弦规律变化的电信号，将此电信号整形，可变为矩形脉冲信号，对矩形脉冲信号计算，即可求得度盘旋转的角值。测角时，在望远镜瞄准起始方向后，可使仪器中心的计数器为0°（度盘置零）。在度盘随望远镜瞄准第二个目标的过程中，对产生的脉冲进行计数，并通过译码器换算为度、分、秒送显示窗口显示出来。

（3）动态测角法

按动态测角法生产的仪器，主要为WildT2000系列。这种方法的特点是每测定一方向值均利用度盘的全部分划，这样可以消除刻划误差及度盘偏心差对其测量值的影响。度盘由等间隔的明暗分划线构成，其分划线的间隔为角度。在度盘的内侧和外侧分别有一组光信号发射和接收系统L_S，L_R，其中L_S安装在仪器固定不动部分，为度盘的“零方向线”，另一个L_R则安装在仪器的可旋转部分，随仪器的照准部或望远镜一起旋转。

L_S和L_R均由一发光管和一接收二级管构成。当度盘在马达的带动下以一定的速度旋转时，接收二级管接收穿过度盘的此线；当接收到光信号时，它送出高电平电信号；当未收到光信号时，它送出低电平电信号。L_S和L_R间的夹角用式（3-19）表示

　　（3-19）

式（3-19）与光电测距仪中的相位测量公式相似。仪器所带的微处理器控制粗测和精测的测量过程。下面概述精测和粗测的测定方法。

的测定：由图3-39可以看出，由于的存在，使得L_S和L_R的信号之间存在相位延迟。的变化范围为0～，的变化范围为0～T₀。由于马达的旋转速度一定，则有

　　（3-20）

式（3-20）中N为度盘刻划线总数=1024，为度盘旋转一个刻划线的时间，可以用填脉冲的方法精确确定。在T2000度盘的对径位置装有另一对L_S和L_R读数系统，度盘每旋转一圈，进行512次测量。按照这种测量方法，可以使其角度分辨率达到0.1″，其方向测量的中误差可达到±0.3″。的测定：为测定n值，在度盘上设有参考标志。当参考标志通过L_S时，计数器开始对度盘的分划计数，通过L₁时，停止计数，从而获得n值。