王玉溪
J6光学经纬仪
经纬仪是一种主要用于精确测量水平角和垂直角的仪器。根据测角精度不同，经纬仪分为J07型、J1型、J2型、J6型和J15型。其脚符07、1、2、6等表示该类仪器的精度等级，其含义为一测回的测角中误差分别为等。经纬仪的国内外生产厂商很多，我国主要有北京光学仪器厂、常州大地光学仪器厂、苏州一光仪器厂、南京测绘仪器厂等，国外主要有德国蔡司厂、瑞士威特(WILD)厂等。 地形测量中最常用的是J2型和J6型经纬仪。J2型经纬仪主要用于控制测量，J6型则主要用于图根控制测量和碎部测量。两种经纬仪的结构大体相同，本书主要介绍J6型经纬仪结构原理和使用方法，对于J2型经纬仪则着重介绍其使用方法。
1．J6经纬仪的基本结构
图4-3所示是由德国蔡司厂生产的Theo 020经纬仪外观。
多米诺骨牌理论经纬仪的种类虽然很多，但其基本构造都主要由脚架、基座和照准部组成，如图4-4所示。脚架用于架设仪器；基座支撑着照准部并连接脚架；照准部是经纬仪的主体，它由如下组件构
成：
竖轴 仪器照准部旋转所围绕的几何轴线，亦称“垂直轴”或“纵轴”。它由主轴和轴套组成，两者密合而又旋转灵活，其旋转的稳定程度是衡量仪器质量优劣的重要标志。测角时，它应位于铅垂线方向，并通过下部悬挂的垂球对准地面标志点，以保证照准部绕地面点的铅垂线水平旋转。
水平度盘 经纬仪上度量水平角的量器。为金属或光学玻璃制成的圆盘。盘面与竖轴正交，度盘中心由竖轴穿过，保证由指标读取的角为该点的水平角。 横轴 测量仪器上望远镜绕其俯仰纵转的几何轴线，亦称“水平轴”。它被支架撑起在水平度盘上方，与水平度盘平行而与竖轴垂直。
垂直度盘 经纬仪上度量垂直角的量器，亦称“竖盘”。安装在横轴的一端，盘面与横轴正交，度盘中心由横轴穿过，一般可随望远镜一同俯仰转动。
照准轴 望远镜物镜中心与十字丝交点的连线，它是照准目标的基准方向线，也称“视准轴”。它应与横轴正交并过横轴与竖轴的交点，以保证望远镜的俯仰面为过测站的铅垂面。
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水准器 是安置平面或轴线处于水平或垂直位置的一种装有液体（通常为有较好流动性的液体，如乙醚，液体未装满，留有真空气泡）的玻璃器皿。通过调整三个基座螺丝的高度，同时观察水准器气泡的移动变化，使气泡到达正确的位置，可使竖轴铅垂，水平度盘水平，从而满足正确的测角状态。 竖轴、横轴和照准轴，俗称三轴。能否严格保持三轴之间的正交关系，是保证正确测角的关键。
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图4-3 Theo 020经纬仪 图4-4 J6经纬仪的基本结构
2. J6经纬仪的照准装置
经纬仪的照准装置是一个单筒望远镜，用于精确照准目标。主要由物镜、目镜、十字丝板和调焦装置组成，如图4-5所示。
望远镜的物镜是一个能消除像差、提高成像质量的复合凸透镜；调焦透镜是一个能虽调焦螺旋旋转而前后移动的凹透镜，它与物镜一起所构成的透镜组，可视为一个等效的凸透镜。等效透镜的焦距随物镜与调焦透镜间的距离大小而变化，这样，对于不同距离的目标，通过旋转调焦螺旋来改
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图4-5 望远镜的组成
变等效透镜的焦距，使得目标影像总是落于十字丝板上；目镜是一个能使物像放大成虚像的复合凸透镜，由于十字丝板安置在目镜的前焦点之内，按照成像规律，物像将被目镜放大成倒立的虚像，观测时，由目镜向内观察即可看到目标的放大的倒像。经纬仪上的望远镜角度放大倍数一般在20～30之间，高精度经纬仪有2～3个可选目镜，角度放大倍数可达45～55倍。十字丝板是望远镜用以照准目标的十字刻划板，常见的刻划形式如图4-6所示。十字的中心与物镜中心的连线，称为照准轴，是照准目标的基准线。中央的纵丝，用以测定水平角，当目标细长时，可用单丝照准；目标稍粗时，其头部影像置于中央空白处，再用单丝切分；若目标较粗时，可用双丝夹切。横丝，也叫水平丝，用于测定垂直角，使其与目标顶部和特定部位相切。与纵丝垂直的上下两条短横丝，以及与横丝正交的左右两条短竖丝，叫视距丝，它们分别与竖置、横置的标尺相配合，可直接读出距离。
图4-6 十字丝刻划
3. J6经纬仪的读数系统
经纬仪的测读角度的一系列装置，称为经纬仪的读数系统。通常包括度盘、光路系统和测微装置。
（1）度盘
度盘系优质玻璃刻制而成，度盘的直径和最小刻度值的大小，决定经纬仪的精度等级。地形测量使用的经纬仪，其度盘直径多在60～90mm，最小刻划值在20′～1°。
（2）光路
传递度盘分划影像，使之成像、放大和进行测微读数的光线路径，称为光路。一般随仪器类型不同，光路各异，但基本思路大体一致。
图4-7为Theo 020光学经纬仪的光路示意图。图中1是单面反光镜，将外界光线反射到仪器内；2是一块毛玻璃，其作用是使光线变得均匀和柔和，然后分别传递到水平度盘和垂直度盘。
水平度盘光路：入射光线经由棱镜3转向90°，再经聚光透镜4，使明亮的光线照射到水平度盘一侧，这一段称为照明路段，如果视场中没有光线和亮度不均匀，则系棱镜3位置不当所致。等腰棱镜5，把投射下的度盘刻划影像转向180°，经成像透镜组6、7并经转向棱镜8，把水平度盘刻划影像成像在读数窗14中的测微板15上，这一段称为成像路段。如果视场中出现度盘分划影像格距与测微板上相应分划格距不一致（称为行差），或度盘影像与测微板上的分划不能同时清晰（称为视差），则系棱镜 6、7位置不当所致。棱镜16把测微板上的影像转向90°后，经透镜17成像在目镜18的前焦点内，这样由目镜18，即可同时看到测微板上测微分划和度盘分划的放大虚像。
垂直度盘光路：与水平度盘光路相似，1、2及棱镜9，组成照明路段，把竖盘一侧的分划照
亮；11、12是竖盘成像透镜组，把经棱镜10传过的影像经棱镜13成像在测微板15的另一个位置上，显然11、12的位置关系影响竖盘影像的行差和视差；最后16～18与水平度盘光路相同，由目镜看到竖盘分划与测微板分划的放大虚像。
光学对点器光路：来自地面上带有标志点中心影像的光线，通过防护玻璃19、物镜20和转向棱镜21后，成像于标志板22上，然后通过目镜23 的放大作用，可以从目镜处看到地面标志中心和标志板的影像。标志板上的小圆圈代表仪器中心，当仪器水平时，只要地面标志点中心与小圆圈重合，即说明仪器中心与地面标志点位于同一铅垂线上。
（3）测微装置及使用
用于测读度盘上不足一个分划间隔相应角度的装置，称为测微装置。不同类型的经纬仪，有不同测微原理和结构的测微装置。但采用较多的是测微尺和双平板玻璃测微器。
图4-8是Theo 020经纬仪所采用的测微尺。它分为60个小格，每格代表1′。光路中的成像透镜组，将度盘分划影像成像在测微尺平面上，并保证度盘上1°的分划间隔与测微尺0～60格的宽度一致，这样即可依测微尺上的0指标线进行读数和测微：首先读取位于测微尺0～60
格之间的度盘刻划值；再顺着测微尺读取0分划线至度盘刻划线间的小整格数，即为分；然后以0.1格的精度，估读不足一小格的部分，并乘以6化为秒。如图4-8的读数分别为：水平度盘：213°01′24″；垂直度盘：95°55′30″。
图4-7 Theo 020光学经纬仪光路 图4-8 Theo 020 光学经纬仪测微尺
4. J6经纬仪的置平装置
船舶机械整置经纬仪的竖轴铅垂和使竖盘读数指标处于铅垂或水平位置的装置，称为经纬仪的置平装置。它的主要构件是水准器和竖盘自动归零装置。
（1）水准器
按照水准器的形状可以将其分为管状水准器和圆水准器两种。
管水准器为一内壁具有一定曲率半径的光滑玻璃管，其内充有冰点低、符着力小、流动性强的液体和留有一个真空气泡，亦称水准气泡，如图4-9所示。通常用石膏将其固定在金属支架内，并在一端设置有可调升降的改正螺丝。管水准器纵断面内壁的中点，称为水准器的零点O，过该点作管水准器纵向圆弧的切线HH，称为管水准器的水准轴。在重力的作用下，静止的液面是一个水准面，且气泡总是居于最高处，故当气泡中心与水准器的零点重合时，（称为气泡居中）表明水准轴HH已处于水平位置 。因此，可依气泡居中作标志，用以安置面、线水平。由于气泡很长，为准确判定气泡居中的程度，通常不刻出O点，而以O点为中心在两端刻出对称的分划线，如图4-10所示，并以气泡两端是否与对称分划线相切，作为判定气泡是否居中以及倾斜程度的依据。
水准器相邻两分划的弧长一般为2mm。它所对的圆心角，称为水准器的分划值t,即
（4-2）
式中，R为管水准器内壁圆弧的曲率半径。t值愈小，水准器的灵敏度愈高。J6级经纬仪上管水准器的分划值多为30″～60″。
经纬仪上有一个管水准器用于安置水平度盘水平或竖轴铅垂，亦称水平度盘管水准器；有的仪器（如Theo 030）还有一个管水准器，用于垂直度盘指标的置平或铅垂，称为垂直度盘指标水准器；也有些仪器只有水平度盘管水准器，而垂直度盘指标的置平或铅垂，采用了自动归零装置，稍后将介绍自动归零装置的工作原理。
圆水准器为一内壁光滑的玻璃球面与玻璃圆盒的固联体，其内注入液体并形成一个真空气
泡。再用石膏固定在金属座架上，如图4-11所示。圆水准器顶部中心O为其零点，过零点与球面垂直的直线，称为圆水准器的水准轴。当气泡居中时，水准轴处于铅垂方向；过零点的切面为水平面。为了便于判断气泡的居中程度，通常以O点为圆心，刻有间隔为2mm的同心圆，以该间隔弧距所对的球心角，称为圆水准器的分划值。圆水准器的分划值一般为8′～60′，精度较低，故常用于概略置平。圆水准器的座架上有三个品字形分布的螺丝，用于校正。
（2）竖盘归零装置
在读取垂直角读数之前，需将垂直度盘读数指标整置在铅垂或水平位置，此过程称归零。垂直度盘指标归零常采用的方式有手动和自动两种。如图4-12，为手动归零的结构示意图。管水准器3与垂直度盘光路系统7－9，由微动架4固连在一起，读数时，转动水准器微动螺丝11使气泡居中，则将迫使微动架4以横轴5（竖盘中心）为轴，连同竖盘成像光路7－9作相应偏转，把竖盘12处的正确分划影像成像在测微尺6的指标处。
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