（大地测量学与测量工程专业论文）高精度光电测距系统检测基线与检测技术研究.pdf

a bs t r a c t t h i s p a p e r s t u d i e s i n f u l l a n d i n s y s t e m t h e h i g h p r e c i s i o n e d m s y s t e m c a l i b r a t i n g t h e a e r i a l b a s e l i n e a n d t h e c a l i b r a t i o n t e c h n i q u e f r o m t h e o r i e s a n d e x p e r i m e n t s . a n d a n a l y z e s o u r c o u n t r y s d e f i c i e n c y a n d c a u s e s i n t h e f i e l d s o f t h e h i g h p r e c i s i o n e d m , e s t a b l i s h i n g t h e b a s e l i n e f i e l d 、e d m a n d t h e o d o l i t e c a l i b r a t i o n . f i r s t , t h i s p a p e r s t a t e s a n d a n a l y z e s t h e e r r o r o r i g i n s o f t h e e d m b a s i n g o n w h i c h , s y s t e m i c a l l y i n t r o d u c e s t h e c o n s u mma t i o n o f t h e f u l l a u t o m a t i c h i g h p r e c i s i o n e d m s y s t e m ; w i t h t h e t w o f u l l y - c a l i b r a t e d t 2 0 0 2 + d i 2 0 0 2 s e r v i n g a s t h e m a i n e q u i p m e n t o f t h e h i g h p r e c i s i o n e d m s y s t e m、c o m b i n i n g t h e c y c l e m e a s u r e d u r i n g a d a y a n d r e a l - t i m e b a s e l i n e c a l i b r a t i o n m e a s u r e s a g r o u p o f t h e a e r i a l b a s e l i n e s , t h e s e a e r i a l b a s e l i n e s p r o v i d e t h e r e l i a b l e s t a n d a r d f o r c a l i b r a t i n g t h e i n s t r u m e n t s p a r a m e t e r s ; i n t h e p r o c e s s o f c a l i b r a t i n g a e r i a l b a s e l i n e , w i t h t h e v b m s c o m m c o n t r o l , s u c c e s s f u l l y r e a l i z e s t h e a u t o m a t i c m e a s u r e b y s e t t i n g u p t h e r i g h t p a r a m e t e r s o f t h e c o m p o r t; u s i n g t h e v b r e a l i z e s t h e l i n k i n g b e t w e e n t h e砂n a m i c l i n k i n g l i b r a r y ( d l l ) a n d t h e h i g h p r e c i s i o n e d m s y s t e m a n d u s i n g t h e m a i n c o n t r o l m o d u l e r e a l i z e s t h e s y s t e m c o n t r o l l i n g d i f f e r e n t t e l e m e t e r s t o m e a s u r e d i s t a n c e ; b a s i n g o n t h e e x i s t e n c e o f t h e t h e o d o l i t e c a l i b r a t i o n d e v i c e s , d e s i g n s a n e w d e v i c e w h i c h c a l i b r a t e s t h e t h e o d o l i t e a n d c o n f i r m s t h e f e a s i b i l i t y b y e x p e r i m e n t s ; b y c o n s u l t i n g a b u n d a n t d a t u m a n d c o l l e c t i n g t h e c a l i b r a t i o n d a t a， c o m b i n i n g t h e e x a m p l e s i n d i c a t e s t h a t t h e f u l l i n d o o r c a l i b r a t i o n i s a t e l e m e t e r c a l i b r a t i o n m e t h o d w h i c h i s s u p e r i o r t o t h e o u t d o o r c a l i b r a t i o n a n d i s w o r t h y o f p o p u l a r i z a t i o n e n e r g e t i c a l l y . k e y w o r d s : t e c h n i q u e c a l i b r a t i o n h i g h p r e c i s i o n e d m s y s t e m c o m p o r tv b d y n a m i c a e r i a l b a s e l i n e l i n k i n g l i b r a r y c a l i b r a t i o n f u l l i n d o o r 中南大学硕士论文 第一章绪论 1 . 1 绪论 引言 自 从 1 9 5 7 年 第一台以白 炽灯作载波源的n a s m i i 型电 磁波狈 1 距仪问 世以 来， 电 磁波测 胜 兹 支 术 得到了 迅速的发展。 而在整个 发展 过程中， 提高测距的 精度尸直 是人 们关注 与值得研 究的问 题。 在当 前的 生 产和 许多的 项目 建设中， 女 a壳变形、 地 震预 报、 大 坝、 桥梁及 高 层 建 筑物的 变 形双 钡 等 精 密工 程项目 者 隧出了i v -1 0 f, 甚至 更 高 级的 测 距 精度 要 求。 高 精 度 光电 测 距系 统是以 光电 钡 1 距仪为 杨l ， 配 合高 精度 温 度 计， 频率 计 和气压 计， 采 用 综 合 方 法 获 得 边 长 相 对 精 度 不 低 于l p p m ( 1 x 1 护 ) 、 或1 公 里 以 上 相 邻 点 位 精 资丛j 1 毫 米 或 亚 毫米 级的 测量 成 果的 一 整 套 系 统。 要 达到 这 么高的 测 1 目 度， 这 意味 着整个系 统在整 个 作习 幽 程中， 任间 一 项误差的 失控， 都可能仗 i ( 距成果的精 度置 受 毁 灭性的 破 坏。 因 此， 为了 提高和佣, 稳 定的 测 距精度， 首先 必暴 称 妇 电 n 师 误 差的 来源尽 确 定 性定影 b行分 析，急 结出 减小 其误差的有 效措 施。 从光 电 n 距的 各 项误差来源分析中 可知， 大气折射率 误差 ( 即 气剥七 友 胜 误差) 是 提高 钡 m精 度的 主 要 障 碍， 而 其中 的 温度 于 炸 羡 胜 误 差 是 影响比 较请滩以 解决的 问 题。 面 对 各 种高 精度 钡 1 8 e 的 迫 切 需 求， 只 有 有 效 地削 弱大 气 折射 率 误 差特别 是 温 度 代 表性 误 差， 刁 有 l l 茜 足 生 产和 建 设0x 要， 从而 实现 高 精 i 晒 ! 9 1 . 2 高 精 岛七 电 测 距 的 历 史 与 现 状 距离的 测 量一 直 是人 类生七 活 动中 牙 词缺少的 g 1 诚部分， 随 着时间 的 推移， 技术 的 进 步， 测 量的 手 段 在 不断 地 提 高， 测 量 用的 仪 器在不 断 地 改 进与 更新， 测 量的 内 容 在不断地丰富与精确。 开 始州门 使 用杆尺 、 带尺、 线 尺、 链尺 等“ 有 形尺 子” 丈 量距离， 是 采用直观 的、 形象的比 长 法; 而 现在人们 则 利 用为之 把“ 无形尺子” 来进行测距， 它不 但能 测出 几十公里以内 精度达到厘米甚至毫米级的 距离， 且提供了人们无法到达的特殊环 境进 行 测 距的 可能， 同 时 在 一 定 渡上开 拓了 人们的 思维， 促使州门 密 切注 视各个 科 学领域的最 新发展， 尽 快采用 最腑伞 学 技术的 成果么 膝 笋 光电 测距技术的 m e 光电 测y fa一门 利用光和电 子 技术 测量 距离的 大地测 量技术。 它开 始出 现于2 0 世纪4 0 年代 末期，当 a 之为 光波 测 距， 核b 是利用光波测量 距离。 5 0 年代出 现了 真正 用于 测 量领 域的 光电 测距 仪n a s m -1 1 ， 它曾以 惊人的 效率 和精度 直 接测量三 角网 边的 长度， 使传统的 耳 琳林距离丈 量法 在 生产实 践为七 生了 动摇。 6 0年代以 来， 光电测距的发展日 新月异。从仪器 的体识 重 量、 应用范围、 测距精度、 仪器的功耗、 测 量速 度等方面 都出 现 早 期钡 1 距仪无 法比 拟的 优点 。1 9 6 0 年 7月 美国 宣 布世界 上 第 一台激 留; 研制成功， 第二年就有了 激光器武装钡 1距仪的实验报告，仓 1m了 激光技术 应 用的 最 先 范 例。 1 9 6 8 年 瑞 典a g a - 研制 成 功 的a g a -8 型 澎 负 钡 距仪 以 及 我 国 继 之研制成功的j c y -2激光测距仪， 是具有一定代表目 三 的 第二代光电 测距仪。1 9 7 7 年9月， 由中 南卫k 大 岸 钡 ( 量 研究室张 学庄 教罗熟稀 成 功的b i c型精密激夭 规 ( 距 仪， 使激光测距仪在 测距精度上 产生了突 破 性的 进展。1 9 6 2年随 着半导体光器件的 出 现， 测距仪朝着小型化、自 动化、 多功能等方向的 发展表现突出。 光电 测距仪继续沿 着小型轻便、 一机多能和 超高精度的方向 发展。 特别是测距 仪和 测角的 有打 l 吉 合， 出 现了 现 金引 人注目 的“ 全站 仪速 测仪” 。 测 量工 作容易 受到 大 气因 素的 影响， 克 月 m 种影响因 素历 来是 钡 憧工作 者研究的重要课题。 现在美、 英 等国以 成功 研 陆 j 出 一种可消除大气因 素 刘 光电 测y m 响的 多波束钡 ( 距仪。 就研 制成功的 多 波 测距仪来 看， 从原巴七 讲， 它们确实 解决了 大气折 射误差 的 影响， 提 高了 光电 测 距的 精度， 但从 实 际清 况来 看， 其价 格的昂 贵、 仪器的 笨重、 仪 器维护和检测的困 难， 使得创门 在 生产中 的 应用 受到了限制。 7 0年于 勺 上 产出的 单波 最 高 精 度 测 距 仪m e 5 0 0 0 ， 此 测 距 仪 在 室 内 确 实 达 到 了 1 ( 0 .2 + 0 .2 p p m d ) 的 标 称 精 度， 一 旦 用于 实 际 勿砂 观 测 就 达不 到 亚 毫米 级的 精度 要求。 为了 满足 许多 二 护:和 建 设项目 对高精度的 测 距需求，1 9 9 5年中 南工 业大学 钡 j 量研究室张学庄教授等成 功 酬川 出 精度达 亚毫米 的自 动高 精度 测距系 统， 此系 统以 成功应用于 玉 及 毅 溪水电 站勿参 监测， 进行了 连续 1 5 天的自 动又 卿 ( 1 2 条 边， 3 8 7 m -1 0 0 2 m) ， 其钡 挺中 误差为士 0 .2 5 n u n , 最大为士0 .3 m m; 位移监 狈 1 精度为0 .2 m m士 0 .0 5 m m / 5 8 7 mo 中南大学硕士论文 第一章绪论 .3用于测距仪检 .m r凄白 j l 栽及 基线， 顾名思义， 提 乡 种长度基准， 是长 度测量的基础。随着我国 各有关测绘生 产、 科习 啤位大 a9勾 置和引 进国 内 夕 生产的 各 种 规格、 品 类、 精度 等 级 光电 测 倒义 并 逐 渐得 至 u 应用的清 况 下， 如 何 正 确 而 有 效 地 使 用、 发 挥仪 器 更高白 恻绘教益和 经济 效 益， 进行 仪器的 质 量平 定、 定 期 开 展 仪 器 鉴 定， 以 确 侧义 署 豁 清 度的 可靠 性、 施 测的 测 绘成果 质量的可靠性已是当务之急。 因 此， 为满足光电测距检m 1 需要的基线场是我国 许多省、自 治区、 彭害 市钡 绘仪器训 量部门 所共同 关b 的一 颂我国计 量监督、 检验的 基 础ica 。 同 时 随着 测 距 误差 小 于 毫 米 级的 各 型 高 精度 光电 测距仪的发 展， 对 长度 标 准的 精度提出了比以 往更高的 要求。 近年来，国内 夕 h a 绘界 对标 准基 线的 精 度问 铡故 的 工作比 较少， 只 是就剔本 的 基 线场 ( 野夕 !嘎线) 的 建立及 经 验做了 比 较多 的 工作。 如苏联利用检定 过的 精密光电 测 距仪在 娜佳 尔 德洛 夫 斯克 建立了 一个 标 准 基 线系 缀) , 其 周围的 地 形侧犬 不 大， 基 线 的 线路在开阔和有和 琳的 地 段上空通 过， 视 线高出 地面5 -5 0 m以 上。 其 精度指标在 四 年其间内 每年用 五台 测距仪c i i -2( 标 称精度为5 + 3 1 0 - d - ) 测定的。 作为标准 基线的还有乌拉尔测绘分局 ( i 1 / o ) 的标准基线， 长度为 5公里， 用日 因瓦基线尺 丈 量; 邦 潍尔 德洛 夫 矿 业学 校 的 标准 基 线场， 用 检 澎丈 的 光电 钡 1 距仪i i k 0 0 1 钡 绽; 哈 匀 铸 斗 夫 计 握 纤 斗 学 研究院的 高 精 度 的 检 验 设 备的 标准基 线， 长度 为3 k m o 近 几年 在国内， 很多 单 位 也 都 陆续 建 立了 用 于 测 距 仪检 钡 的 基线 场， 并 就 基 线场 的 建立 提出 许多 值 得 参 考的 经 验。 如比 螂子 的 丰 l l% 光 干涉 标准 基 线; 武汉比 长 基 线; 四 川省 借鉴以 上两 基 线 建 立的 经 验， 并在 n出 设 施 上作了 一 些 抢 惭， 拟合 了 一 条 精度 相对高一点的 光干 涉标准 基 线固 ， 成 都基 线场平行一条乡级公路相距约二十多米， 南 北向， 根据实际地 形设 计视 线 坡 度为2 .3 % o ， 观测墩 最低为 1 .6米， 实际 视 线高度可 达1 .9 米， 最高 为2 .7 米， 这 样既 确 保了 基 线尺 丈 量时 对 轴 杆头 高差的 要 求， 又 力争 在 较大程度上削弱打 份 七 差 的 影响; 沈阳 基线 场建在 距沈阳 市中心以 北 1 8 公里 处的 造 化乡， 地 势比 车 彭 平 坦， 交 通 方便， 基 线 场平 行于 大 路呈 南北走向、 距 路边 1 0 米， 基 线 场全 长3 0 2 4 米; 用 标 称 精度比 较 高 的 测 距 仪me 5 0 0 0 建立 北京 朝阳 基 线 场和 陕 西 礼泉基线场等。 不管是国内 基线场还是国 外基 线场， 一个 共同的 特点 都是用于测 咧义 检测的 野外 基 线， 并 且对 其 进行 建 立时， 都忽 略了( 或 研究 得比 较 少) 阻 碍 基 线 精度 提高的 重 要 因 素 大气 折 射率 误差 的 影响。 为 了 解 决 野夕 基线 场检 钡 1 测 距仪的许 多 不 便 及 更 好地 保 证钡 9 距成果的可 靠胜，中 南工大 建立了 光电 测距仪全室内检定场， 它是室内 短基线和 室外胜且 空中基线的 组合， 刀 姚敬叮 中 心于1 9 9 0 年2 月取得了国家技术监督局质量认 证合 格 证书h 0 1 7 5 号， 至 今已 检 定 过各 种 测 距仪 数百台 次， 效果良 好。 随着测距仪的发展， r 娅仪的 检 测也随着 逐步完善。 检 9 由 起初的 粗略 检视、 检 中南大学硕士论文 第一章绪论 氰 设 有 独 立 检 测单 位 发 展 到 现 在 拥 有 众 多 的 独 立 剑! 中 心 ， 在 我 国 北 京 、 西 安 、 长 沙、酬、1 、 广州 等地 荀 健立了 室 外 或 室内 检 测 场 地， 专门从 事 测 距 仪 检 湘 9 - 在6 0 年代s c h w e n d e m等 人 提出 六 涯 洲 去 后， 检则 理论 也相 继 得到 完 善， 拟 合 法、 比 较一、比 较法 二、 解 析法、 迭加 p相 继出 现， r i 各种 方法的 基 线分 段数， 基 线 场 距离 尾数的 优化i%1 ， 及各 种 方 法的 优、 缺 点， 运用 各 种方 # i- a 9 定仪器 潮寸 最 后 成果的 精度 进行了 专门的 深 人研究; 检测不单 是日 勃日 、 乘.常 教的 测定， 现 在的 检测是 对 仪 器的 各个部件、 i -节 的 司 靠保证 ， 松 i ( 内 容除 加、 乘常 数外， 还 须 检 定周 期 误差、 频 率、 幅相 误差 、 相 位 均匀 性误差 、 测 程、 仪 器内 符合 精 度 、 钡 1 距分 倒 辛 率、 仪器的 综合精度; 现在的 检测不单 停留 在固 定不变的“ 常数” 上， 用 “ 变常数”的 观点 来 看待“ 常数” ，找出“ 常数不常”的 原因il l t l 口 : 仪器的开机特性， 频率和温度的 关系， 加岸 数与 温 度的 关系 ， 频率 的 长 期、 短 期稳定 度， 电3椒师的 影 响。 室内 检 测中 心的 建 立， 不 但 提 高了 检钡 组 的 效 率， 而且在 正确 有效 地 分 离 仪器的 各 项误差， 准确无昊 地 判断仪器故障方 面弥补了室外检测的不足，同时还 有利于检 el j 的 自 动化。 在澳大利亚， 测距仪白 冰濒1 工作相当 规范工作相当 规范、 严格，中 等精度钡 ( 距仪去检核下一 中 等精度白 娜川 距仪检 测场地由 精度等级的测距仪，撇 啦 中级容 用二内 制网的布设一样二 级 控 制 三 级 回 。 随着检测场地、3 m仑 、 认识测距仪、改进钡 (距仪， 靠地翻导 高度成果的 佣正 ， 可能获得高精度的成 果。 手段的不断完善和提高， 反过来人i i 提高 测距仪本身的 精度。 同 时， 检测的 完善是我们 正确可 没有 先进的、 全面a , 1 ， 任何一台 高精度的 测目 都 不 1 . 4 建立 用洲贴到灶卸懦要的 空中 基线的 新 思 路 目 前， 尽管人们基于测距仪检钡 的 需要在全国 各地建立了 野夕 卜 基线 场， 但作 者 认为要保i 必e 电测距仪 松 狈 成果的 可靠性以及杜 晒1 手段的 先进性， 首先应在 冠 叔1 方法 上有所改 进， 如采用本 力合 面章节 介绍的 全 室内 检定技 术， 并在 此基础上 利用空中 基 线来检钡 仪器参数的 正 确性 。 目 前， 高 精 度 测 距仪的 标 称 精 度已 相当 高， 如n e 5 0 0 0为士( 0 .2 + 0 .2 1 e - 6 d ) ,d 12 0 0 2为士( 1 0 0+ 工 工 e - 6 d ) ，但由 于 测 距 时 多 种 因 素 的 影 响 ， 实 际 钡 咙 精度 可 能达不到 仪 器扇斜青 度 的 要 求。 例 如， me 5 0 0 0多次 上4 .2 k m斟戈 t 幽lj 互 差 最大 达 1 0多 毫米 m ! 一 些变 形观 测 数 据变 化无 常， 不 好处 理， 不 知 是 产生了 变形还 是 数据 n 孵不准。 究其 原因， 影响 高 精度 坝 临 彭 吉 果准 确 度首 要因 素 是 大 刽弋 表胜 误差， 可 达3 p p m左右。 以 前 人们 考 虑 从 仪器、 方 法等 许多 方 面 来尽 量 提 高 基 线的 精度， 但 中 南 大 学 硕 士 论文_ _ _ _ 一 一鱼 遵 1竺 it 一 一 由 于忽略了 ( 或研究得比 较少) 大划忆 表性 i吴 差 ( 特别是 温度代表 比 误 差) 的 影响， 使 捌9 难a 高 基 线的 精度。 基 于 这 方面的t l想 ， 作者认 为 要 提高 基 线的 精度， 减 少外 界因 素的 影响， 一方 面 可以从 基 线的 材 料 性 有 睐考 虑， 如 考 虑 用光 纤做 基 线， 就 可以 大 大减少光 传 播时所 受外界因 素的 干扰， 有为 i , v i ， 由 于 受到很多客 观条 件的 限制， 而 没能得到展开， 仅仅 作 为一种新 方法提出; 另一方面 可以 考 虑用高 精 度光电 测距系 统做自 动 周日 观 钡 ， 准确 测出 测 线l 气刻 表性 误 差的 力1 、 和 变化 ， 然 后 进行 气 象代 表ft 误差 修 正， 最后 得出 高 精 度的 空中 基 线值， 前 人已 4 有 关 这 方面的 工 作， 作者 是从更加完善的系统出 发， 在不同 季节、天气测出 基 栽值， 给以 前的基 线测得的结果 赋予比 较的 参考值， 从比 较中 来确 保测出 高精度 基 线值的 可 靠 性， 从 而给 测 距仪 的 检 测捌均佳 确而可 靠的 手段。 1 . 5 本文研 究的主 要内 容及 预 期 结 果 针对高精度 光电 测 距及 光电 测 距检测领 域存在的 一些 不足 之处， 本 文作者在 导 师的 指导 下,澎立 广 泛查阅 光电 视 11 e . 基线、 m距仪检 钡 9 等方面的 许多 文献，淤 并 确立了荆研究的主 要内 容及预期结果。 1 .从光电测距i昊 差 来源分析出发，0自 狩 人对提高光电 m距精度所采取的 措施; 利 用 高 精 度 光电 测 距系 统 并 结 合自 动 周日 m ( 方 法 及 进 行 实 时 基 线 校 准， 精 确 测 定出 一组空中基线， 预期空中 基线达亚毫米级精度。 2 利用 全室内 检 测 技 术对 两 台t 2 0 0 2 + d i 2 0 0 2 做了 全 面的 松 钡 ， 确 定出 仪器的 参 数从而为上述检测空中 基线提供了 可靠的测距仪。 3 .经纬 仪检 :lfa 作为本 论文全 新的内 容可 纳入 魁 靓 技术 研究之 a， 作者在淤吉 及分 析现有检 :u j 经纬仪的设 备的麦 药 出 上， t b 卜币扫 用望远镜誉却 行光管的新的经纬仪险 定装置， 并预奶更 过实 验来证实此方法的可行性。 4 .光电测距仪的 检 测 是使 用测距仪 获 取正确 成果的保 证和蒯是 ， me 仪的 检rm 崛 常 分室内 杜 0 17 :7 与野外检 测两 种， 作者 通 过对大 量实践和 瑙艇 验的 总结， 本文从 多方 面 详细阐 述了 室内 检 定 场检 钡 1 的 优越 性， 并与 野外基 线 检 狈 1 方 法i于 了比 较， 结 果表 明 室内 检定场 it 1 是甲种值得大力推广的测目肋卸 l 方法。 中南大学硕士论文第二章高精度光电 测距系统的完善 第二章 高精 度光电 测距系统的 完善 2 . 1 引言 光电 测距是一 门 利 用 光和电 子技 术 测 量 距离的 月也 测 量 技术。 它开 始出 现于2 0 世 纪4 0年代末 期， 当 时 称 之为 光 波 钡 距， 筷l 是 利 用 光波 测 量 距离。 从 测 距仪的 历 史 和 发展 现状以 及现 在许 复巨 产 建 设项目 的 需 要可 知， 提高 钡 腿的 精度 ; t 反 关键的问 题。 前已 述及 ， 由 于 测 距仪 本身 精 度的 不断 提高， 使 得在 光电 钡 咙的 各 项误 差中 ， 大 刽湘寸 率 误 差 ( 即 气 象 代表性 误 差) 成 为提 高 测 0 度的 主 要障 碍。 光电 测 距受到 整 个测 程上 折射的 影响， 折 射率 又 依 赖于大 气 物 理 场的 结 构 ( 主 要时温 度场的 结构) 。 因 此， 为了 提高 和 保 证 稳定 的 测 距 精度， 并在 对 光电 钡 1 距 误 差的 来源尽 可 能 定性定 量 地进行分析的基础上， 抓住 影响 其则 距精 度提高的 重要因 素温 度代表性 误差， 分析其 温 度模型及 层结， 然后 au 实验 来-碳觑律并找出 其特点， ,淤吉 出 减刁 读 裁 昊 差 的 有 效措 施， 从而使 高精度 光电 测 距 系统得到 完善进而得到 广泛 推 广与 应用。 2 . 2 光电 钡 1 差来源与 分 析 为了 达到 杆 职 寸 精度 为1 p p m或优 于l p p m的 测 距 精 度， 首 先必 需了 解光电 钡 哑的 滩 昊 笙 来源， 在 此勤出 上对 其进行准确的 定性定量分析， 确 保其 高精度 : 1 r e 的 实现。 从相 位法 测 距的 基 本原 理出 发， 推出 其测 距的 基本 方 程， 在 此 基 础1 yp )t 劲a 常数 、 限差改 三 、 反射器的对中 误差， 再根据误差传播定律， 最终可得出相位法测距仪 止 匕遥 弥之王不兔忆乌工 /j: m 。 2m a = 。(牛m ,x ) 2 + ( 粤 m n )2 + (粤 m f )2 d 2 + (粤 m ) ， 十 脚 * 2m k 、真“l + m ,4 2 + m g 2 + m r 2 ( 2一 1 ) 从 2 -1 式可知 光电 钡 1 距误差分 为比 例 误差 和非比 例误 差两 大类。比 例 误差是随待测 距离的 长短而变化; 而 非比 例 误 差是不随距离长短而变化 的， 故也称固 定误差。 下面 分别 就各 项误差给予 分 析和探讨。 2 .2 )比 例误差 1 .真乞核郎1 缓 in , a 自 从1 6 0 7 年 意 大 利 著 名 物 理 学 家 勃 晰 归 各 用 亮 灯 法 测 定 光 速 的 实 验 以 来， 人 类 认 中南大学硕士论文 识) 瓮 吏 值的 的测定精度 第二章 精度在不断地提高。 高精度光电侧距系统的完善 随着激廿勺 出现， 真空光速 定 精 度 又得 到 质的 习 沃 。 计量 科 学 家们 采 用 精 确 测 定某 些 特zr a在 真空中 的 频 率 和 波 长 的 方 法， 获 得 现 今 最 为 精 确 的 真 空 光座 值c je = 2 9 9 7 9 2 4 5 8 m ( 1 1 .2 m ) /s , 其中mcir士1 .2 m 。 由 1 1 得的 相 对 误 差为: 1 1 . 2 m 官 =_ 了，七 尹内， 入 x 七真s xi v - =4 x 1 09 1 试得出 真空 乡 朽 吏 误差刘 钡 叮 距 精度 的 损失 为4 x 1 忽略其影响。 2 .大狱湘辫3 差 m 一 般 单波 测 距仪采 用的 大气 折 射率n 的公式 为: 2 6 9 5 . 8 8 x 1 0 - ( n 。 一 1 ) n =r +一 一 一p一 乙 i . 7 . i o 十 r 1 1 2 石 8 x 1 0 2 7 3 . 1 6 +t ) x 1 0 - ( 2 一 2 ) 式中 : n 。 一 1 = ( 2 8 7 6 .0 4 + 4 8 . 8 6 4 入 r 0 . 6 8 0 十 万 了 一 式中 : p , e 以m b 为 单位， t 以 为 单 位，a 以u m为 单 位。 ( 2 一 3 ) 公式的使用范围为: - 2 0 0 c -t -4 0 0 c 从上 面的 公式中 可 知， 钡 咙时 的 大 气 折射 率n ， 是 根 据 光源的 载 波 波长人 和 实 地 测 得的 气 象 元素t , p , e 才 有 蹲得的， 如 果 将引起由 气象 元 素的 测量 误 差而 带来的 折 射率 误 差。 在折 射率 误差中， 从采用的 公 式辛 x 1 护。 但实际 上， 系 统中 使用 ( 2 -2 ) 很多清 况 下 其误差 远 远超 过了 这个 数值91 。 因 此， 么百 度为 2 在高精度测距 式 而 带 来 的 公 式 误 差 是 不 可 忽 略 的 。 可 采 用 更 精 密 的。 w r e n s 折 %= 1 + a d + b w 其中a , b为系 那 颇， d , w分 别为 干 燥空 压影响项 ( 2 -4 ) 翔t 算 形1a 下 ， 一 2 3 .7 1 3 + 6 8 3 9 3 .9 7 x . 1 3 0 + a 共 + 4 5 .4 7 3 x k i -l u 一 a一 ) - 3 8 . 9 + a 万 二 又 下一 ， 二,; l xt u” h6 ，一。一 ) - b = ( 6 4 .8 7 3 1 + 1 .7 4 1 7 4 a 一 0 .0 3 5 5 7 5 a + 0 .0 0 6 1 9 5 7 6 6 ) x 1 0 6 d 一 争 。， + p (5 7 .9 0 x i“ 一 9 .32 5 x 1。 一 /t + 0 .2 5 84 4 /t ) w 二令 + p , (1+ 3 .7 x 1。 一 p ) (- 2 .3 7 3 2 1 x 1 0 - 3 + 2 .2 3 3 6 6 7 1 0 . 7 9 2 一 于 ， - + 7 7 5 1 4 . 1 t 3 ) 中南大学硕士论文第二章高精度光电 测距系统的完善 其适用 范围 为一 2 3 c t 4 7 0c , o w e n s 公式的 精度为2 -3 x 1 0 -p l 0 工 9 8 8 年萧家 安提出了 一个 简 单的 让算 折射 率的 公式: n r , = n c o( 1 一 t p x 1 0 - $ ) p 1 0 1 3 .2 5 ( 1 + a t ) ( 0 . 0 4 6 8 0 . 0 0 1 5 3 入 。 2 ( 2 一 5 ) 式中p 和e 均以m b 为 单 位; t 以 为 单位: e 可 用 下 .式比算 p o l . 。 二 竺x 6 . 7 s, 1 1 x 1 0 2 3 .3 + , 1 0 0 式中r h 为相 1x j 湿度， 以 % 为 单位 ; t 以 为 单位; 训 算精度 优于1 x 1 0 - . ( 2 一 6 ) 公式的 适用 范围t- 3 0 0c ，l ，时 ，器 一 0 _d td h 一 h -4/3(中 层 ( 上层) 式中l为奥布科夫长度， 7 0 m 。其图 形表示如下: l的典型值为 5 0 - i o i l i 上层 中层 共一 0 . 0 3 1 l 1 下层 位温梯 度与高度的 关系 图2 . 1 中南大学硕士论文第二 章 高 精 度 光电 测 距系 统的 完善 一般 光电 测 距彬过中 层区。 另 外， 根据近 代 气象 学的 观点 ， 在近 地表 空 气的 温度 可 分为 三 种 基 本温图会 结， 在这三种不同的层结中 其模型与分布是不同的。 它们是: 1 )不稳定层结的温度梯度 d t / d h = r h 0 ( r 伪( 2 - - 8 ) 3 ) 中 性 层 结 的 温 度 梯 度 尔色 热 梯 度 r 4 d t / d h = a ( a = 0 .0 0 9 8 k / m ) ( 2 -9 ) 在中性 和不稳定层结， 温度随 高度的 增加而降低; 在稳定层结中， 温度 随高度 的 增加而升高。 在晴朗的白 天， 其辐射平衡大于 零， 不稳定层结处于优势地位， 在 w e b b的 三 层理 论中， e d m视 线一般 是 通过中 间 层， 即 其温 度 模 式与 上述及 的 模式 是 相同的。 因 此， w e b b分层 理 论是当 大 气 处于 不 稳定 状 态时的 温 度 模式 理 论; 在傍 晚、 夜间、 清晨， 其辐射平v 、 于 零， 大 气 层结处于 稳定层结， 止 to 寸 ， 典型地出 现一 别 朽兰 温层 ; 在伽免 和早 上-9 v 4 良 短的 时间， 其 辐射平 衡近于 零， l 幼寸 ， 大气 层结处于 一种中 性层 结， 即 称11 寸 为温 度 逆转时刻。 在上述的 各种温度模式中， 实践证明不稳定大气条件下的位温梯度具 有很好的 合理吐， 在e d m钡 咙中是可 取的。 ; 2 . 4 在精密机械和光电技术飞 速别畏 的今天， 从测距仪的 误差来源与分析中可知， 测 距 仪 本 身 的 精 度可以 达 到 l p p m 、 甚 至 更 高， 但 如 果 在 地 形 及 气 候 条 件 较 差的 情 况下， 有 日 寸 大 气折 射率的 误差会 导 致3 -4 p p m. d的 测 距 误 差， 才 良 显 然这 是 影响 测 距精度的 主要原因。 为了 减小大气 代表 性误差的 影响， 人们 做了 各 种尝试。国 外曾 有 人 利用直 升飞机沿ffl 9 i- a 汉 懂大 气温 度， 进行 气 象 改正 后使钡 峰蜻度提高了 一个 数 量级 ( 相m 于常规 测 温 方 法而 言) ; 1 9 7 3 荆影 葺 过s a v a g e 和p re s c o tt 采用机 载 传感器 招 靓 1 线对 温 度和 湿 度进行采集; 还有 建立中 间 高 标或 气球在测 线高度上直接测定气象元 素: 但 这 些方 法在 实 际 应 用中 困 泪良 多， 引寸 出 的 代价比 较 大。 为 了 克 服 存在的 困 难 和 避免 大 的 代价的 付出 ， 人们 在 仪 器 及 计 算大 气 折 射 场等范围内 研究出 减小 大 4 v t 表 性误差的 许多措施。 2 .4 . 1 咬 端防面 自1 9 7 4 年以 来， 英、 美等国 榴迷 研 制了 双 ( 三) 波 测 距仪， 使测 距 精度 达到了 1 x 1 0 -5 x 1 0 $ ， 在 一 定成度目 裤 决了 气 象代 表 性误差 问 题。 1 9 7 4 年t e r r a 工程技 术 有限 公司 生 产了 t e r r a m e t e r l d m z ， 双 波 激 先 钡 ( 距仪， 该仪 器自 动 消 除了 干 燥空 气 中南大学硕士论文第 二章 高 梢 度光电 测 距系 统的 完答 的 影响 ， 5 % 相x n 显 度引 起的 距离 误差 为 1 x1 护。 华盛顿大学应用物理实验室曾 成 功 研制了 一种 供外 业 使 用的 三 波测 距仪， 1 9 7 5 年9 月 一1 9 7 6 年4 月 该仪 器 在1 0 条 狈 峨上观 测的3 0 -1 0 0 个点 的 标准偏差为1 x1 0 - 、 甚至更 刁 、 。1 9 7 8 年第 二台 集感 派 丈 三波测 距仪 在 美国 科 罗 拉 多洲 的b o u ld e r 制 造成功 ， 最 大 测程 达5 0 k m , 精度 达5 x 1 0 . 7 0 年 代中 期， 英国 国 家 物理卖 验室 所 研制了 一种 轻 便的 双波 测 距 仪g e o r a n i ， l o k m测距精岛叁 7 x1 0 , 3 0 k m钡 姐 巨 精度可达2 x 1 0 9 . 就研制力 牛 叻 的 多波1m i 距仪来看， 从原理 上讲， 创门 确实解决了 大气折射率误 差 的 影响， 提 高了 电 磁 波 钡 9 gf的 精度， 但从 实际清 况 来看， 其 价 格的 昂 贵、 仪 器的 笨重、 仪耀佳 护和 检 靓的困 难， 使得 它们在生产中 的应用 受到了 限制。 2 . 4 .2尸劝榭场方 面 可以 从许 多 方面 来 减/d 、 大 气 代表胜 误 差的 影响， 如 气 象改正 模式的 选 取、 最佳 观测时刻法 等， 下面分 别给予 阐 述。 1 . . 红 中 南工 业大学 周 共和老 师曾 在 利用昼 夜 循环观 钡 ( 检验 光电 测 距气 象代表性 误 差 的 改 正 效 果 一 文 中 ， 分 析 和 评 咸 挝精 密 光 电 涣 (踏请缈亚模 式。 p v a n g u a - l e p p a n 的 短 程电 子 钡 师的 大 气 温 度 模 式 ; e .k w e b b 大 气 分 层的 分 层 大 气 温 度 改 正 模 式): 按距 离起伏 方 差计 算折 射 率异常 距离 改 正 。 根 据其 实 验 来综合比 较以 上 三 种 模 式， 得出 按 距 离起 伏 方 差模 式的 改 正 效果 最 好。 从其 改 正模 型的 原理 来 看， 这主 要是 基于 它 利 用 距 离 变化 本 身 来断 49 a元 素 代 表目 三误 差 的 # 1- p 向 ， 由 于 整 个的 温 度 变 球 楠随接 反 a i 距 离 的 变 化 中 ， 用 测 距 仪 内 部 多 次 m 憧的 距 离 方 差 勃 睛 匕 几 乎 同 时 反 映 整 i 9 (线 在测距瞬间的大气状况。 三种气 象改正赶n 下: 1 ) 距离起 伏方 差模式 不 稳定 大 气 系 科 下的 珍 口 三 ， 令 a = 扣， ， 一 a ， / s 式中a 厂测 距 时由 仪 器内 部获 得的 距 离方 差 a w 一测 相 器 的 测 相 方 差 a c = - 0 .0 0 9 7 fo (h 二 一 h