《光电测距》PPT课件.ppt

本章提要 建立高精度平面控制网和进行电磁波测距三角高程时 需要进行精密距离测量 当前 主要采用电磁波测距仪进行距离测量 本章主要讨论中 短程红外光电测距仪的基本原理 电磁波测距仪的误差来源及其影响 地面距离观测值如何归算到椭球面上 目的是解决平面控制网的水平距离观测问题和电磁波测距三角高程测量的斜距观测问题 第四章光电测距仪 知识点 1 电磁波测距基本原理 2 相位式光电测距仪的工作原理 3 测距误差来源及其影响 4 观测结果的化算 5 电子全站仪 习题 一 电磁波测距基本原理 光电测距仪按仪器测程分类 短程光电测距仪 测程在3km以内 测距精度一般在lcm左右 如我国的HGC 1 DCH 2 DCH 3 DCH 05等精度均可达 5mm 5 10 6 中程光电测距仪 测程在3 15km左右的仪器称为中程光电测距仪 这类仪器适用于二 三 四等控制网的边长测量 如我国的JCY 2 DCS 1 精度可达 lOmm 1 10 6 远程激光测距仪 测程在15km以上的光电测距仪 精度一般可达 5mm 1 10 6 能满足国家一 二等控制网的边长测量 如我国研制成功的JCY 3型等 光电测距仪按测距精度分 每公里测距中误差分3级 级 mD 5mm 级 5mm mD 10mm 级 10mm mD 20mm 相位式光电测距仪的基本公式 式中 测尺长度 整周数 不足一周的尾数 N值测定原理直接测尺频率方式 直接使用不同频率测尺的测量结果组合成待测距离的方式 一般在仪器中设置2个或3个固定不变的测距频率 间接测尺频率方式 用差频作为测尺频率进行测距的方式 测尺频率的确定 一般将用于决定仪器测距精度的测尺频率称精测尺频率 而将用于扩展测程的测尺频率称为粗测尺频率 对于采用直接测尺频率方式的测距仪 精测尺频率的确定 依据测相精度 主要考虑仪器的测程和测量结果的准确衔接 还要使确定的测尺长度便于计算 例如我国的HGC 1型及长征DCH 1型红外测距仪 确定精测尺长 10m和粗测尺长 1000m的精测尺频率和粗测尺频率 测尺频率可依下式确定 例如测量386 574m的距离 用精测尺测得6 574m 用粗测尺测得386 5m 组合得386 574m 间接测尺频率的方式直接测尺频率相差较大 测程越长 相差越悬殊 使电路中放大器的增益和相对稳定性难于一致 远程测距采用一组数值相近的测尺频率 利用其差频作为粗测频率 间接确定N值 若用2个测尺频率f1和f2测量同一距离D 设所得整周数和不足一周的尾数分别为N1 N1 N2 N2 则有 两式相减并移项后得 令 f1 f2 f12 N1 N2 N12 N1 N2 N12 则上式变为 二 相位式光电测距仪的工作原理 相位式光电测距仪的工作原理 相位式光电测距仪各主要部件的工作原理简介 光源相位式测距仪的光源 主要有砷化镓 GaAs 二极管和氦 氖 He Ne 气体激光器 前者一般用于短程测距仪中 后者用于中远程测距仪中 调制器采用砷化镓 GaAs 二极管发射红外光的红外测距仪 发射光强直接由注入电流调制 发射一种红外调制光 称为直接调制 故不再需要专门的调制器 但是采用氦氖激光等作光源的相位式测距仪 必须采用一种调制器 其作用是将测距信号载在光波上 使发射光的振幅随测距信号电压而变化 成为一种调制光 棱镜反射器在使用光电测距仪进行精密测距时 必须在测线的另一端安置一个反射器 使发射的调制光经它反射后 被仪器接收器接收 相位式光电测距仪各主要部件的工作原理简介 光电转换器件在光电测距仪中 接收器的信号为光信号 为了将此信号送到相位器进行相位比较 必须把光信号变为电信号 对此要采用光电转换器件来完成这项工作 用于测距仪的光电转换器件通常有光电二极管 雪崩光电二极管和光电倍增管 差频测相目前相位式测距仪都采用差频测相 即就是使高频测距信号和高频基准信号在进入比相前均与本振高频信号进行差频 成为测距和基准低频信号 在比相时 由于低频信号的频率大幅度降低 如精测尺频率为15MHz 混频后低频为4kHz时 降低了3750倍 周期相应扩大 即表象时间得到放大 这就大大地提高了测相精度 自动数字测相随着集成电路和数字技术的发展 为测距仪向自动化和数字化方向发展提供了条件 目前许多中 短程测距仪几乎都采用自动数字测相技术以及距离的数字显示 三 测距误差来源及其影响 测距误差的主要来源 上式中的各项误差影响 就其方式来讲 有些是与距离成比例的 这些误差称为 比例误差 另一些误差影响与距离长短无关 称其为 固定误差 对于式中偶然性误差的影响 我们可以采取不同条件下的多次观测来削弱其影响 而对系统性误差影响则不然 但我们可以事先通过精确检定 缩小这类误差的数值 达到控制其影响的目的 相位测距的基本公式为 比例误差的影响 光速值的误差影响光速值对测距误差的影响甚微 可以忽略不计 调制频率的误差影响调制频率的误差 包括两个方面 即频率校正的误差 反映了频率的精确度 和频率的漂移误差 反映了频率稳定度 频率误差影响在精密中远程测距中是不容忽视的 作业前后应及时进行频率检校 必要时还得确定晶体的温度偏频曲线 以便给以频率改正 大气折射率的误差影响正确测定测站和镜站上的气象元素 并使算得的大气折射系数与传播络径上的实际数值十分接近 可以大大地减少大气折射的误差影响 这对精密中 远程测距乃是十分重要的 固定误差的影响 测相误差 仪器加常数误差和对中误差都属于固定误差 在精密的短程测距时 这类误差将处于突出的地位 对中误差在控制测量中 一般要求对中误差在3mm以下 要求归心误差在5mm左右 但在精密短程测距时 由于精度要求高 必须采用强制归心方法 最大限度地削弱此项误差影响 仪器加常数误差经常对加常数进行及时检测 予以发现并改用新的加常数来避免这种影响 测相误差包括测相设备本身的误差 幅相误差 照准误差 信噪比引起的误差 周期误差 四 光电测距仪的检定 一 测距仪的检视外观检视及功能检查 外观检视 仪器 配件是否齐全 型号是否相配 外表有无碰损 脱漆 锈蚀 功能检查 成像质量 制动及微动是否灵活 平稳 电源及供电系统是否正常 计数 显示系统及各键 钮功能是正常 二 发射 接收 照准三轴关系正确性的检验与校正三 内部符合精度的检定内部符合精度 仪器多次测量同一距离 各观测值之间的离散程度 四 精测频率的检定1 频率准确度的检定 2 温度 频率特征的检定 3 频率开机特性的检定 4 频率重现性的检定 五 周期误差的检定检定设备检定方法数据处理六 仪器常数的检定六段比较法 在比较基线场进行检定观测 观测数据处理 七 综合精度的检定 测距作业及有关规定1 测距边的选设 2 测距作业技术规定 3 测距作业中的注意事项 四 观测结果的化算 四 观测结果的化算 频率改正 频率变化对距离的影响是系统性的 通常 精测尺频率可通过检测 用补偿的办法调整到规定的标准值 这时频率改正就不必加了 但是 考虑到搬运振动 晶体老化等原因会导致频率变化 因此作业前后常常要进行频率对比 发现频率变化过大时 就要考虑对测得的距离加上频率改正 气象改正 气象改正数随温度和气压的变化而变化 因此气象元素 温度和气压 最好是取测线上的平均值来计算 波道弯曲改正 由于波道弯曲引起的弧长化为弦长的波道几何改正 由于实际大气折射系数仅用测线两端的中值 而没有采用严格沿波道上的积分平均值 因此产生了所谓折射系数的代表性改正 归心改正 包括高差而引起的倾斜改正 测线超出参考椭球面而引起的投影改正 弦长化为弧长的改正 倾斜改正和投影改正 椭球面上水平距离的计算 设参考椭球面上的水平距离以表示 则 式中为仪器常数 为仪器周期误差改正 应当指出 以上各项改正并非每项都要计算 根据仪器情况 边的长短和测边精度要求 有些项实际上不存在或本身过小而无需计算 属于各测回不同的改正计算 必须在各测回内分别计算 而其余的改正项各测回都是一样的 则可在最后一次计算 五 电子全站仪 全站仪的概念 把电子测距 电子测角和微处理机结合成一个整体 能自动记录 存储并具备某些固定计算程序的电子速测仪 因该仪器在一个测站点能快速进行三维坐标测量 定位和自动数据采集 处理 存储等工作 较完善地实现了测量和数据处理过程的电子化和一体化 所以称 全站型电子速测仪 通常又称为 电子全站仪 或简称 全站仪 全站仪的基本组成及结构 全站仪的基本组成 全站仪的基本结构组合式全站仪 组合式结构的全站仪是由测距头 光学经纬仪及电子计算部分拼装组合而成 整体式全站仪 整体式结构的全站仪是在一个机器外壳内含有电子测距 测角 补偿 记录 计算 存储等部分 将发射 接收 瞄准光学系统设计成同轴 共用一个望远镜 角度和距离测量只需一次瞄准 测量结果能自动显示并能与外围设备双向通讯 组合式全站仪 整体式全站仪 全站仪的精度及等级 全站仪的精度全站仪是由光电测距 电子测角 电子补偿 微机数据处理为一体的综合型测量仪器 其主要精度指标是测距精度和测角精度 如SET500全站仪的标称精度为 测角精度 5 测距精度 3 2ppmD mm 全站仪的等级国家计量检定规程 JJG100 94 将全站仪准确度等级分划为四个等级 电脑全站仪的主要特点 1 电脑操作系统 电脑全站仪具有像通常PC机一样的DOS操作系统 2 大屏幕显示 可显示数字 文字 图像 也可显示电子气泡居中情况 以提高仪器安置的速度与精度 并采用人机对话式控制面板 3 大容量的内存 一般内存在IM以上 其中主内存有640K 数据内存320K 程序内存512K 扩展内存512K 4 采用国际计算机通用磁卡 所有测量信息都可以文件形式记入磁卡或电子记录簿 磁卡采用无触点感应式 可以长期保留数据 5 自动补偿功能 补偿器装有双轴倾斜传感器 能直接检测出仪器的垂直轴 在视准轴方向和横轴方向上的倾斜量 经仪器处理计算出改正值并对垂直方向和水平方向值加以改正 提高测角精度 6 测距时间快 耗电量少 全站仪操作应注意事项 理解全站仪的概念了解工作原理明确测量功能熟悉操作步骤合理设置仪器参数正确选择测量模式掌握应用技术 距离测量 距离测量必须选用与全站仪配套的合作目标 即反光棱镜 由于电子测距为仪器中心到棱镜中心的倾斜距离 因此仪器站和棱镜站均需要精确对中 整平 在距离测量前应进行气象改正 棱镜类型 棱镜常数改正 测距模式的设置和测距回光信号的检查 然后才能进行距离测量 仪器的各项改正是按设置仪器参数 经微处理器对原始观测数据计算并改正后 显示观测数据和计算数据的 只有合理设置仪器参数 才能得到高精度的观测成果 全站仪在高程测量的应用 全站仪三角高程测量的技术指标 注 1 D为测距边长度 以千米 km 为单位2 边长大于400m时 应考虑球气差的影响 基本原理 图中 是高程已知的水准点 是待测点 是高程路线的转点 1 2 3 4为全站仪的设站位置 因为用全站仪可以直接读取全站仪中心到棱镜中心的高差 因此有 同理可得 用全站仪代替水准仪进行高程测量应满足的条件 1 全站仪的设站次数为偶数 否则不能把转点棱镜高抵消掉 2 起始点和终点的棱镜高 应保持相等 3 转点上的棱镜高在仪器搬动过程中保持不变 4 仪器在一个测站的观测过程中高度保持不变 精度分析 垂直角和水平距离观测误差对观测高差的影响 地球曲率和大气折光的影响 水准测量要求前后视距相等主要是为了抵消 角误差 同时也为了削弱地球曲率及大气折光的影响 用全站仪代替水准仪测量时 可以设置大气折光系数 一般取0 12 有仪器自动对地球曲率及大气折光的影响进行改正 如果把视距控制在200 左右 前后视距差在3 之内 影响可以忽略不计 棱镜沉降 仪器沉降 棱镜倾斜的误差 与水准仪测量类似 用全站仪代替水准仪进行高程测量时同样存在棱镜沉降 仪器沉降的影响 观测时必须采取一定的措施来减弱或消除 棱镜沉降主要发生在仪器的转站过程中 提高观测速度 采用往返观测的方法也可以抵消部分影响 仪器沉降主要发生在一个测回的观测过程中 在一个测站上要变换仪器高观测两个测回 第二测回和第一测回采用相反的观测次序 即 后 前 前 后 或 前 后 后 前 可以有效的减弱仪器沉降的影响 觇标倾斜的影响与水准测量时水准尺的倾斜相似 只要仔细检验对中杆上的圆水准气泡 在立杆时保证气泡居中就可以消除此影响 竖直度盘指标差的影响 水准测量时主要存在 角误差的影响 为了消除 角误差对水准测量的影响一般要求前后视距相等 用全站仪观测时 类似的误差是竖直度盘指标差 如果只用正镜或倒镜观测 该项误差的影响不容忽视 但是只要采用正倒镜观测 就可以抵消指标差的影响 竖直度盘指标差的影响 水准测量时主要存在 角误差的影响 为了消除 角误差对水准测量的影响一般要求前后视距相等 用全站仪观测时 类似的误差是竖直度盘指标差 如果只用正镜或倒镜观测 该项误差的影响不容忽视 但是只要采用正倒镜观测 就可以抵消指标差的影响 垂直轴倾斜误差的影响 全站仪能够进行垂直轴倾斜的自动补偿 并且补偿后的精度能达到0 1 影响甚微 因此 垂直轴倾斜误差的影响可以忽略不计 垂线偏差的影响 在山区和丘陵地区用全站仪代替水准仪进行高程测量有显著的优点 但由于垂线偏差的变化较大 使得测点之间所观测的高差不