细节：电子经纬仪

1.概述

随着电子技术的发展，20世纪80年代出现了能自动显示、自动记录和自动传输数据的电子经纬仪。这种仪器的出现标志着测角工作向自动化方向迈出了新的一步。

电子经纬仪是利用电子测角原理，自动地把度盘的角值以液晶显示在显示屏幕上。其特点是测角精度高，能自动显示角值。电子经纬仪与光学经纬仪具有类似的外形和结构特征，因此使用方法也有许多相通的地方。最主要的区别在于读数系统，光学经纬仪的度盘360°的全圆上均匀地刻上度（分）的刻划并标有注记，利用光学测微器读出分、秒值，电子经纬仪则采用光电扫描度盘和自动显示系统给出观测角度。

现在能够生产电子经纬仪的厂家很多，目前进口电子经纬仪占较大部分，而且国产电子经纬仪的质量在迅速提高，且逐步达到进口仪器的质量水平，其价格上比起进口仪器要低很多，越来越多的用户购买使用国产电子经纬仪。

2.电子经纬仪测角原理

目前，电子经纬仪有三种度盘形式，即编码度盘、光栅度盘和格区式度盘。下面分述其测角原理。

（1）编码度盘测角原理 编码度盘属于绝对式度盘，即度盘的每一个位置，均可读出绝对的数值。

图4-6为一编码度盘，整个圆盘被均匀地分成16个扇形区间，每个扇形区间由里到外分成四个环带，称为四条码道。

图中黑色部分表示透光区，白色部分表示不透光区。透光区表示二进制代码“1”，不透光区表示为“0”。这样通过各区间的四个码道的透光与不透光，即可由里向外读出四位二进制数来。由码道组成的状态如表4-1所示。

图4-6 编码度盘

表4-1 码道的状态

利用这种度盘测量角度，关键在于识别照准方向所在的区间。例如已知角度的起始方向在区间1内，某照准方向在区间8内，则中间所隔6个区间所对应的角值即为该角角值。

如图4-7所示的光电读数系统可译出码道的状态，用以识别所在的区间。图中8个二极管的位置不动，度盘上方的4个发光二极管加上电压后就发光。当度盘转动停止后，处于度盘下方的光电二极管就接收来自上方的光信号。由于码道分为透光与不透光两种状态，接收管上有无光照就取决于各码道的状态。如果透光，光电二极管受到光照后阻值大大减小，使处于截止状态的晶体三极管导通，输出高电位（设为1），而不受光照的二极管阻值很大，晶体三极管仍处于截止状态，输出低电位（设为0）。这样，度盘的透光与不透光状态就变成电信号输出。通过对两组电信号的译码，就可得到两个度盘位置，即为构成角度的两个方向值。两个方向值之间的差值就是该角值。

图4-7 光电读数系统

上面谈到的码盘有4个码道，区间为16，角度分辨率为360°/16=22°30′。显然，这样的码盘不能在实际中应用。要提高角度的分辨率，必须缩小区间间隔，要增加区间的状态数，就必须增加码道数。由于测角的度盘不能做得很大，因此码道数就受到光电二极管尺寸的限制。例如要求角度分辨率达到10′，就需要11个码道（即2¹¹=2048，360°/2048=10′）。由此可见，单利用编码度盘测角是很难达到很高精度的。因此在实际中，是用码道和各种细分法相结合进行读数。

（2）光栅度盘测角原理 在光学玻璃圆盘上全圆360°均匀而密集地刻划出许多径向刻线，构成等间距的明暗条纹——光栅，称为光栅度盘，如图4-8所示。通常光栅的刻划宽度与缝隙宽度相等，两者之和称为光栅的栅距。栅距所对应的圆心角即为栅距的分划值。如在光栅度盘上下对应的位置安装照明器和光电接收管，光栅的刻线不透光，缝隙透光，即可把光信号转换为电信号。当照明器和接收管随照准部相对于光栅度盘转动时，由计数器计出转动所累计的栅距数，就可得到转动的角度值。因为光栅度盘是累计计数的，所以通常这种系统为增量式读数系统。

图4-8 光栅度盘

仪器在操作中会顺时针转动或逆时针转动，因此计数器在累计栅距数时也有增有减。例如在瞄准目标时，如果转动过了目标，当反向回到目标时，计数器就会减去多转的栅距数。所以这种读数系统具有方向判别的能力，顺时针转动就进行加法计数，而逆时针转动时就进行减法计数，最后结果为顺时针转动时相应的角值。

在80mm直径的度盘上刻线密度已达50线/mm，如此之密，而栅距分划值仍很大，为1′43″。为了提高测角精度，还必须用电子方法对栅距进行细分，分成几十至上千等份。由于栅距太小，细分和计数都不易准确，所以在光栅测角系统中都采用了莫尔条纹技术，借以将栅距放大，再细分和计数。莫尔条纹如图4-9所示，是用与光栅度盘相同密度和栅距的一段光栅（称为指示光栅），与光栅度盘以微小的间距重叠起来并使两光栅刻线互成一微小夹角θ，这时就会出现放大的明暗交替条纹，这些条纹就是莫尔条纹。通过莫尔条纹，即可使栅距d放大至D。

（3）区格式度盘动态测角原理 如图4-10所示为区格式度盘，度盘刻有1024个分划，每个分划间隔包括一条刻线和一个空隙（刻线不透光，空隙透光），其分划值为ϕ₀。测角时度盘以一定的速度旋转，因此称为动态测角。度盘上装有两个指示光栏，L_S为固定光栏，L_R为可动光栏。两光栏分别安装在度盘的内外缘。测角时，可动光栏L_R随照准部旋转，L_S与L_R之间构成角度ϕ。度盘在电动机带动下以一定的速度旋转，其分划被光栏L_S和L_R扫描而计取两个光栏之间的分划数，从而求得角度值。

图4-9 莫尔条纹

图4-10 区格式度盘

1）粗测。在度盘同一径向的外缘和内缘上设有两个标记a和b，度盘旋转时，从标记a通过L_S时起，计数器开始计取整间隔ϕ₀的个数，当另一标记b通过L_R时计数器停止计数，此时计数器所得到的数值即ϕ₀的个数n。

2）精测。度盘转动时，通过光栏L_S和光栏L_R分别产生两个信号S和R，Δϕ可通过S和R的相位关系求得。如果L_S和L_R处于同一位置，或间隔的角度是分划间隔ϕ₀的整倍数，则S和R相同，即两者相位差为零。如果L_R相对于L_S移动的间隔不是ϕ₀的整倍数，则分划通过L_R和分划通过L_S之间就存在着时间差ΔT，亦即S和R之间存在相位差Δϕ。

Δϕ与一个整周期ϕ₀的比显然等于ΔT与周期T₀之比，即

Δϕ=ΔTϕ₀/T₀ （4-2）

ΔT为任意分划通过L_S之后，紧接着另一个分划通过L_R所需要的时间。

粗测和精测数据经微处理器组合成完整的角值。

3.电子经纬仪的使用

1）安置仪器：把仪器安置在测站点上，进行对中、整平。

2）瞄准后视：用望远镜瞄准后视点。

3）度盘设置：设置后视点方向的起始角值并做记录。

4）瞄准前视：转动望远镜至前视点，读记前视角值。

电子经纬仪的使用方法和光学经纬仪基本相同，但不需读数，只需从显示窗中读取角度值。