《电磁波测距》PPT课件.ppt

几何量电子传感测量 武汉大学测绘学院测量工程研究所叶晓明 电磁波测距 电磁波测距的一般原理脉冲式光电测距相位式光电测距干涉式激光测距微波干涉测距微波伪码测距 电磁波测距仪的一般工作原理 电磁波测距的原理就是利用电磁波的直线传播特性和波速稳定特性 通过测出两点之间的电磁波传播延迟时间进而间接测得直线距离的过程 发射机 接收机 发射波 ADB 光电测距仪的一般原理 AB两点间的距离是D 往返时间是t2D 电磁波在大气中的速度是V则 D Vt2D 2t2D可由测距仪中的测时系统测出大气中的波速V c n 也是可以通过大气温度 湿度 压力来求出的于是 D ct2D 2n 不确定度公式表明 若要获得mm数量级的距离测量可靠度 时间测量结果的不确定度必须达到10 11秒数量级 测距电磁波和基本方法 用于测距的电磁波微波激光红外线电子测距的基本方法脉冲法测距干涉法测距相位法测距 脉冲式光电测距 脉冲法测距就是直接测定间断电磁脉冲信号在被测距离上往返传播所需的时间t2D 利用公式计算距离D 脉冲式测距原理框图 脉冲测距的测时方法 当测距仪向反射器发射一个脉冲信号的同时 同时还给触发器发出一个触发脉冲 经过触发器去打开电子门 电子门一打开 计时用的时标脉冲就通过电子门进入计数器 当发向反射器的脉冲信号被反射器反射回测距仪 经过测距仪接收后 也送入触发器 通过触发器去关闭电子门 电子门被闭合后 时标脉冲就不能通过电子门 那么计数器上记录下的时标脉冲个数m 将对应于测距脉冲信号在被测D上往返传播所需的时间t2d 时间越长 通过脉冲信号就越多 反之就越少 根据时标脉冲的个数可以计算出时间t2d 从而获得距离 脉冲测距原理优缺点 优点 脉冲式测距可以实现瞬间高功率脉冲发射以获得远测程 缺点 精度问题 即使时钟频率到了100MHz 计数器的原理误差 1误差 造成的时间测量误差就可达 1 100MHz 10 8秒 根据公式D Vt2d 2可得出由此造成的距离误差可达 1 5m 而电子计数器 门电路等的工作速度达到100MHz很不容易 技术难度问题 高频率电子线路在设计制造中会面临干扰 能耗 成本 稳定性等麻烦问题 针对传统脉冲测量方法的不足 诞生了精测技术 在保持快速特点的基础上 大幅提高了测量精度 脉冲精测技术内插法微延迟计数法 内插测量法 对不足一个计数时钟周期的短脉冲进行时间积分 通过测量积分电压的高低来推算短脉冲的时间长度 进而实现精确测量 被测脉冲 计数时钟 积分脉冲 内插测量法 LEICADI3000测距仪采用了此方法 测程达10KM 精度 3 1ppm mm 问题 积分电压测量面临干扰 产生 节拍效应 精度提高仍然有限 DI3000中采取扰乱时钟和被测脉冲的相位关系的方法 让 节拍效应 随机化 利用统计规律来消减这种 节拍效应 误差 牺牲了测量时间 微延迟计数法 该技术的典型代表是德国ACAM公司的TDC时间数字转换芯片 该芯片可瞬间完成脉冲时间的精确测量 该芯片利用门电路的微小延迟 利用大量的门电路串联构成集成延迟线 通过检测被测脉冲结束时刻延迟线中的波相位实现精确时间测量 测量单元由START信号触发 由STOP信号停止 由环形振荡器 延迟线首尾相接而成 中波沿所在的位置和粗值计数器中的结果计算出START与STOP之间的时间间隔 测量范围可达到20位 最小分辨力可达65ps 1ps 10 12s 相应的光速距离为0 3mm 典型应用 三维激光扫描仪 通过激光测距原理瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器 利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据 可快速建立结构复杂 不规则的场景的三维可视化模型 既省时又省力 快速扫描是扫描仪诞生产生的概念 在常规测量手段里 每一点的测量费时都在2 5秒不等 在数字化的今天 这样的测量速度已经不能满足测量的需求 三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状 最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹 而现在脉冲扫描仪 scanstation2 最大速度已经达到50000点每秒 相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪最高速度已经达到120万点每秒 这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证 工厂管道 隧道 地形等复杂的领域无法测量已经成为过去式 典型应用 全站仪 目前许多全站仪都附带有无棱镜测距功能其中一部分就是采用了脉冲激光测距原理 相位法测距 相位法测距 又叫间接法测距 它不直接测定电磁波往返传播的时间 而是测定由仪器发出的连续正弦电磁波信号在被测距离上往返传播而产生的相位变化 即相位差 根据相位差求得传播时间 从而求得距离D 相位法测距基本公式 设测距仪发射的电磁波为 相位法测距的基本公式 为角频率 2 f 往返传播时间为t2d 因此测距仪接收的电磁波为 测距仪发出的信号 参考信号 与接收的信号 测距信号 相位差 为 t2d t2d 又 2 f t2d 2 f 将其代入D Vt2d 2V c n c为真空光速 n为大气折光系数 测尺 电尺 2N D c N N 2 4 fn N N 2 其中N为正整数 N为小于1的小数 为波长 相位法测距就好象有一把钢尺在丈量距离 尺子的长度为 2 电尺 N为被测距离的整尺段数 N为不足一个整尺的尾数 半波长 2叫做测尺长度 相位法测距仪的工作过程就是计量出测尺的整尺段数和尾数的过程 相位法测距原理的技术要点 1 精度问题 解决精度问题的方向是使用较高频率的载波 短尺 调制 要获得1毫米的距离分辨力必须获得10 11秒的时间测量分辨力 由于噪声等现实因素的存在 相位测量的精度也是有限的 对相位测量的精度期望过高必然加重电路设计制造的困难 对使用中的稳定度指标也不利 15MHz的高频信号来说 10 11秒的时间延迟可产生33 9 的相位延迟 1 5MHz的高频信号 10 11秒的时间延迟只能产生3 39 的相位延迟 要获得这么高的相位测量精度很困难 测程问题 相位测量只能测出一个波长 周期 以内的相位差 超过一个波长以上的距离将出现整数个波长的距离丢失 N值问题 15MHz的频率来说 其测程只有10米 利用低频载波 长尺 实现粗测 相位法测距原理的技术要点 2 高频信号相位测量精度问题 数字相位计实现高分辨力测相的工作频段在低频段 另外使用一高频信号 本振信号 分别对将被测量相位差的二个高频信号和进行混合并通过一非线性电路产生二个差频信号 我们称之为中频 变频技术 使用中频信号的优点 中频信号有利于进一步的高增益放大 窄带过滤噪声干扰和实现自动增益控制 表3 1正弦信号的混频过程 相位法测距原理的技术要点 4 相位计精度问题目前几乎所有的仪器都使用数字相位计实现高分辨力测相 多周期测量实现 1误差 噪声误差的自然抵偿是其要点 光能衰减对测程的影响问题光的发散和传输衰减将造成回光强度随距离的增大而急剧减弱 为了获得较远的测程 选用亮度高度集中的发光管 设计高度会聚的光路系统 选用高灵敏的雪崩光电二极管 设计高增益低噪声接收放大器是必要的 而近距离时回光光强很强 所以还必须有性能优良的自动减光 自动增益控制 AGC 等自适应系统 相位法测距原理的技术要点 5 幅相误差问题 幅相误差的一种产生原理 相位法测距原理的技术要点 6 幅相误差是将模拟中频信号 正弦波 转化成数字信号 方波 的过程产生 即因信号幅度 强度 不同引入的转换附加相差 非线性过程 远距离和近距离的回光信号强度差距极其悬殊 必须使用自动减光系统 自动光强控制系统 和自动增益控制的中频放大器 以保证信号在整形前幅度一致 这也是实现高精度距离测量的技术关键 自动增益控制电路的设计不合理也可能造成电路延迟参数随信号强度变化 也能形成幅相误差 周期误差问题 在电路系统和光学系统中 干扰 窜扰普遍存在的 在精密相位测量来说 同频率干扰信号将是致命的误差源 因为频率相同就意味着不可以利用电子滤波器将其过滤 克服干扰 屏蔽和隔离是有效的途径恰当使用差分放大电路等电路技术 相位法测距原理的技术要点 7 电路固有延迟问题 电路延迟包含了电磁波在被测距离上的延迟 也包括了电信号在电路上的延迟 内光路测量过程 就是直接将发射光短路回接收系统以测出电路系统所造成的时间延迟 用于计算被测距离时扣除这部分延迟 时间基准的精度问题 普通石英晶体振荡器的稳定度多在 10 4 100ppm 数量级 不能满足测绘作业所要求的精度 所以必须使用温度补偿提高时间基准的精度 整机控制问题 整个仪器包含了复杂的控制和运算过程 如测尺转换控制 光路转换控制 减光自动控制 测相节奏 时序 控制 相位距离换算 粗精尺距离衔接运算 内部加乘常数改正 气象改正 电源监测 信号检测等等 使用微处理器来实现这些复杂过程当然最有利 相位式测距的原理 图3 5相位式测距仪的原理框图 相位式测距过程 晶体振荡器产生两路主频信号主频调制信号对发光二极管进行调制 另一路主频信号作为测相参考信号送至基准混频电路和本机振荡信号混频产生参考中频信号测尺尺长 主频波长的一半 2发光二极管由于受主频信号的调制即发出光强随主频信号变化的红外光 该光线经光学系统会聚后射向目标点的反射棱镜光线经反射后回到接收光电二极管 光电二极管再次将光信号转化成电信号 这时的电信号就是主频经被测距离延迟后的被测信号 相位式测距过程 被测信号经测距混频电路与本机振荡信号混频产生被测中频信号被测中频信号再经中频放大滤波整形后送至数字测相电路测相电路测出参考中频和被测中频的相位差内光路校准测量以测出电路的固有延迟 相位差 上述过程由微处理器统一控制完成 多频测距原理 1 由相位法测距仪的基本公式可知N存在多值性 解决多值性的一个方法是采用的测尺 2大于待测距离 但这样会影响测距精度 不同频率所对应的尺长及可能实现的精度对比表 多频测距原理 2 选定一个测距频率时其测程和精度是相矛盾的 若要测出较长距离 则相应就要降低测距精度 为了保证测程和测距精度 可以采用一组测距频率 即 一台仪器配有两个以上的测尺 其中 短测尺用于保证测距精度 长测尺用于扩大仪器的测程 例如 15MHz的精尺 尺长10 000m 测得的距离是8 057m 而75KHz粗尺 尺长2000 0m 测得的距离是1737 95m 对于精尺而言 D N 10 8 057 对于粗尺而言 D 1737 95 所以N 1737 95 8 057 10 172 9893 10 由于N为整数 很小 其绝对值远小于精尺尺长的1 2 所以N 173 D 173 10 8 057 1738 057 当粗尺测量精度太低以致于 绝对值接近或超过1 2精尺尺长时 距离测量结果就必然出现粗差 多频测距原理 3 从对比表可以看出 频率的跨度太大 对接收放大电路的高频率响应和低频响应的均衡性及稳定性要求较高 不利于接收电子放大器的设计 也不利于仪器的稳定性 组合测尺却不存在上述问题 且同样也是可以解决测程和精度相矛盾问题的 多频测距原理 4 一个粗尺是可以隐含在多个精尺之中 对于粗尺 长尺f0 f1 f2 f1 f2为组合精尺 来说 当经过被测距离延迟时间T后 其延迟相位差为 0 其中 1和 2分别为f1精尺和f2精尺经延迟T后产生的相位差 多频测距原理 5 譬如 分别测出了15 150MHz和15MHz这两个精尺在被测距离的延迟相位差 1和 2 就可以推算出15 150MHz 15MHz 150KHz粗尺的延迟相位差肯定为 1 2 不需要直接产生150KHz粗尺 更不需要拿它去调制发光管 而这样做的最大好处就是接收前置放大器的工作频带只要在15MHz附近就可以了 不需要考虑150KHz的低频特性 放大器很容易保证二个精尺频率的增益基本一致 总之 由于测程和精度相矛盾问题的需要 由晶体振荡器产生的主频调制信号往往有多个 通常是3个 行话叫3把尺子 或4个 每一调制信号都有一个被锁定频率的本机振荡信号与之匹配 以保证混频后获得的中频频率相同 便于放大和测相 例 某测距仪采用了三种测尺 分别是30MHZ 30 015MHZ 31 5MHZ 对某距离测量的相位差分别为135 936度 167 88度 88 8度 请计算该距离 30MHZ按尺长5米计算 解 1 第一粗尺频率30 015MHZ 30MHZ 15KHZ其延迟相位差167 88 135 936 31 944 15KHZ对应的尺长10000米 第一粗测结果为10000 x31 944 360 887 333米 2 第二粗测频率31 5MHZ 30MHZ 1 5MHZ 其延迟相位差88 8 135 936 312 864 1 5MHZ尺长100米 测量结果为100 x312 864 360 86 907米3 将这二把粗尺子的测量结果进行衔接 887 333 100N1 86 907 所以N1 8 第二粗测结果为886 907米 4 精尺频率30MH 尺长5米 的测量结果为5x135 936 360 1 888米5 与第二粗测结果886 907衔接 886 907 5N2 1 888 所以N2 177 最终测量结果为5N2 1 888 886 888米 相位计原理 自动数字测相的优点速度快精度高便于自动数据处理 电子测距仪的测相方法 手动平衡式测相利用机械装置移动测距信号的相位 使移动后的测距信号的相位与参考信号的相位相等 即平衡 同时测出相位移动量得到相位差 自动数字测相1 时钟填充法2 波形抽样回归法 自动数字测相法 1 时钟填充法时钟填充法测量原理基本思路 用计数的方法测量检相脉冲的占空比来获得被测信号的相位差 图时钟填充法测相原理 检相脉冲当把参考信号er及测距信号em送入测相器前 先把两路信号通过通道整形成为方波信号再把两路方波信号送入触发器的两个输入端S R 触发器的输出脉冲的占空比就正好反映被测信号延迟于参考信号的相位关系 自动数字测相法 2 把输出的检相信号送入电子门 高电位会打开电子门 低电位关闭电子门 当检相脉冲为高电位时 电子门打开 时标脉冲通过电子门到达计数器 计数器所记录的时标脉冲个数将与高电位的长度成正比 也即与相位差 成正比m k 因此通过记录时标脉冲的数目可以测出相位差 自动数字测相法 3 fcp 时标脉冲的频率 fe 混频后低频测相信号的频率由于电子计数器存在天然的 1误差 加上实际还有噪声造成的脉冲沿抖动等影响 单脉冲的测量精度还是远远不能满足精度要求 计数器对一个检相脉冲的累计数m为 例如 对于时标频率15MHz 中频 检相脉冲重复频率 频率15KHz的单检相脉冲测量来说 仅 1计数误差造成的相位测量误差为 若此时精尺尺长为10米 则测距误差为 10毫米 实际误差由于噪声等影响还将更大 多周期时钟填充测相原理 1 图3 7多周期时钟填充测相原理 多周期时钟填充测相原理 2 在闸门脉冲的控制下 计数器对数以千万计的检相脉冲的测量结果进行累计测量取其平均值 从而大大降低 1误差 噪声误差的影响时标频率15MHz 中频 检相脉冲重复频率 频率15KHz的例子 这时把闸门脉冲宽度定为10000个检相脉冲的周期的时间即进行10000次平均测量 精尺尺长为10米 则反映的测距误差为 每个闸门期结束后 微处理器即读取计数器的累计值并将其再次清0 多周期时钟填充测相原理 3 小相角问题若被测信号与参考信号的相位差小到0度 或360度 附近 由于数字电路响应速度的有限以及受噪声的影响信号沿存在前后抖动 这时的检相脉冲系列中必然有小角度 略大于或等于0 的窄脉冲和大角度 略小于或等于360度 宽脉冲同时存在 则不能对其进行平均测量 小相角扩角电路原理当被测信号相对于参考信号的相位延迟小于半周期 180 时 将被测信号再延迟一个周期 360 进行检相 这样测量的结果将比实际相位差大360 而360 在计算处理时是会自动溢出的 而当被测信号相对于参考信号的相位延迟大于半周期 180 时 则不对被测信号延迟360 扩角后的相角在180 540 之间 多周期时钟填充测相原理 4 一种延迟扩角电路的实现原理 一种延迟扩角电路的实现原理 多周期时钟填充测相原理 5 相差小于180度时的扩角时序 多周期时钟填充测相原理 6 相差大于180度时的扩角时序 波形抽样回归法 波形抽样回归法则基本原理 对被测正弦模拟信号进行跟踪抽样测量 利用线性回归算法演算出该信号的相位信息 波形抽样回归法测相原理 波形抽样回归法原理 1 以抽样脉冲为时间标准 抽样脉冲重复频率为被测信号频率的偶数倍 上图中为16倍 抽样脉冲以等时间间隔对被测信号进行抽样测量 将获得的模拟电压送至bitA D模数转换器 A D转换器将数字信息送至微处理器进行运算处理 运算原理 运算原理由于被测信号的数学表达式为其中 2 f 称之为角频率 A0为直流电平分量 表达为线性方程的形式为 其中 则观测量ui的误差方程式为 由于信号周期内的抽样测点数为偶数 且测点在信号的整周期内均匀分布 则 法方程为 波形抽样回归法原理 3 解法方程得 所以 波形抽样回归法原理 4 各参数的协因数为 精度评定公式 根据A 与X Y的关系式按误差传播律就可以得出 波形抽样回归法原理 5 因为A D转换的 1误差 噪声等随机因素的存在 单周期测量的精度不能满足精度要求 若精尺长为10米 则相应的测距误差为 0 31毫米 设定信号振幅为2V 这样信号的峰 峰值则为4V 对于有效位数为12bitA D转换器来说 1误差约为 1mV 若单周期的测量抽样次数为16次 则 波形抽样回归法相对于时钟填充法的优点 省略去了大量的电路硬件 只需增加一个抽样保持电路 多占用一个已有的A D转换器的通道 给设计 生产 调试带来了方便 也给整机性能的稳定性和一致性带来了好处 省去了对速度和漂移特性要求苛刻的整形电路省去了检相电路省去了大小相角判别和扩角电路 由于没有整形电路 测量过程不象填充法仅仅依赖信号的前沿 而是对信号进行相对整体性的信息采集 信号的强度和直流电平不对测相结果产生确定性的影响 就是说 A A0的变化均不能使比值Y X发生变化 和A A0没有确定的函数关系 所以理论上讲 这种测量原理没有传统意义的幅相误差 波形抽样回归法的 幅相误差 根据公式m mA A可以看出 信号强度A对测量结果 的不确定度还是有影响的 是随机性的影响 这就是波形抽样回归法的 幅相误差 波形抽样回归法的 幅相误差 与传统福相误差的区别 幅相之间不是确定规律 而是随机规律 其大小可以在测相过程中求出 机器自身 心知肚明 可以通过调整电路增益或增加测量时间使其改善 如果信号信噪比太差 严重畸变 饱和失真那当然也是不行的 对自动增益控制的延迟稳定性也同样不能降低要求 还要注意一点 这种测量原理所获得的相位值是相对于抽样时钟脉冲的t0时刻的相位提前量 抽样时钟相当于填充法中的参考信号 相位式测距的原理误差 周期误差周期误差是指按一定的距离为周期重复出现的误差 详细的说就是指由于测距仪光学和电子线路的光电信号窜扰而使待测距离尾数呈现按精测尺长为周期变化的一种误差 加 乘常数误差测距加乘常数误差由加常数误差和乘常数误差二部分组成 加常数误差系由仪器的测距部 包括反射镜 光学零点和仪器对点器不一致所造成 其现象是对所有测量值加入了一个固定偏差 乘常数误差系仪器时间基准偏差造成 其现象是给观测值加入了一个与距离成比例的偏差 幅相误差幅相误差是因为接收电子线路及自适应系统的特性的不完善 回光信号存在强弱不同而导致的测距误差相位不均匀误差是指光波的波阵面不规则 并非以发光点为球心的球面 而导致的测距误差 测距周期误差 形成原因测距仪内部的同频的光窜扰内外光路光的相互窜扰 收发共轴仪器的光学系统内部漫反射 诸此情况将会引起同频光窜扰测距仪内部的同频的电窜扰由于空间感应 公用电源等途径使发射信号或基准信号与接收系统相互窜扰而产生的窜扰信号叠加于测距信号使相位产生误差 误差规律 1 设测距信号为e1 窜扰信号为e2 其相位分别为 1 2 则两者的相位差为 1 2 设两者振幅的比值为k A2 A1 根据矢量合成法 其合成信号为e 于是 合成信号e与测距信号e1的相位差 所对应的距离即为周期误差 同频率窜扰信号的矢量合成 误差规律 2 根据直角三角形的边角关系有 误差规律 2 又k A2 A1所以 化简后 和 k有下列关系存在 由于k 都很小 所以上式可近似为 其中 D为距离 U为尺长 误差规律 3 可见 附加相移 误差 随距离按正弦曲线规律变化 其周期为2 即等于精测尺长度 而且与K值有关 K值越大 也越大 于是 常以下式表示周期误差 式中 A为周期误差的振幅 i为距离Di相应的相位角 0为初相 克服办法 提高整机的屏蔽抗干扰特性譬如 光路隔离以减少发射光路和接收光路的耦合 电源滤波退耦和隔离 接收电路采用差分放大等等 由于周期误差是具有一定的相对稳定性和可重复性的误差 将其振幅和初相位角测出根据周期误差的数学模型对成果进行计算改正 补偿 周期误差的补偿方法有两种事后补偿 是指根据检定部门检定所获得的仪器参数A和 0以及与所测距离的尾数相应的相位角 i代入测距周期误差的计算公式算出 并对所测得的距离进行改正即可 机内补偿 是指将上述检定结果A和 0存入仪器内存 在观测过程中由仪器进行自动完成误差补偿改正 由于误差是由于干扰所造成的 干扰条件随着电路的老化等因素会发生变化 所以补偿效果不太理想 测试原理与检测方法 1 基础设施 一座长形平台和一根基线尺 对它们要求分别为 检定平台的平直度应优于5 10 5 平台与仪器墩 或脚架 的高差不大于2 且在同一方向线上 两者相距约为30m 基线尺长应大于受检仪器的精测尺长 其准确度优于2 10 5 最小分度应小于或等于受检仪器精测尺长的1 40 周期误差测试 测试原理与检测方法 2 具体做法是 安置仪器如图所示 把一根符合条件的基线尺放置在一个符合条件的长形平台上 基线尺的零点与平台起始点对准并固定 另一端拉一个与该尺检定时张尺拉力相符的重锤或弹簧秤 将全站仪与反射棱镜分别对中整平 从平台上基线尺的零点开始观测 反射棱镜由近及远移动 每次移动的距离为测距精测尺长的1 40或1 20 各点的对中位移误差不大于0 2 每移动一次反射棱镜 进行一次测距 取5次读数求其平均值 作为所测距离值 依此测完40或20个点 然后 由远而近进行返测 取其往返观测的平均值为相应各点的距离 获得一组观测值 Di D0i Di和D0i分别为仪器示值和基线尺示值 测试原理与检测方法 2 令X Acos 0Y Asin 0 根据该误差方程式组成法方程 当测点数为偶数 且测点在整尺长内均匀分布时 则 测试原理与检测方法 3 测试原理与检测方法 4 根据法方程可以解算出各参数的协因数为 精度评定公式是 根据A 0与X Y的关系式 按误差传播律就可以得出 注意 这里所求出的 0 m 0的单位为弧度 测距加乘常数误差 1 加常数误差加常数误差系由仪器的测距部 包括反射镜 光学零点和仪器对点器不一致所造成 其现象是对所有测量值加入了一个固定偏差 其表达式为 D K加常数误差的组成仪器常数误差棱镜常数误差电子零点偏差当仪器幅相特性不好时若内外光路光强又不平衡 则内光路的测量结果不能完全抵消外光路测量的电路延迟 也能产生加常数类似效果 电子零点偏差不是加常数 而是幅相误差 只有纯光学机械的原因形成的固定偏差才是真正意义加常数 测距加乘常数误差 2 加常数误差的检测通常和乘常数检测结合在一起完成 乘常数误差理论上 乘常数误差系仪器时间基准偏差造成 其现象是给观测值加入了一个与距离成比例的偏差 其表达式为 D R D其中D为实际距离 R为乘常数 乘常数误差幅相误差也常常影响到乘常数的检测效果 因为对于幅相特性不好的仪器来说 当信号强度随被测距离增大而减弱时 幅相误差势必也随距离的增大而单调变化 也能产生类似乘常数的效果 而且还很难区分 只有时间基准或仪器内部人工比例改正数才是真正的乘常数形成原因 在测距仪内部 真正的加乘常数系统误差已经被设计师进行了改正处理 而检验出的加乘常数误差只是改正后的残剩值 测距乘常数的理论成因 其中 为测出的相位差 c为光速 f是光的调制频率 n则为折射率 其中 c n均是与仪器本身无关的量 只有f是与全站仪的内部结构相关的参数是个变量 将上式对f进行微分 则可得 全站仪本身固有的测距乘常数误差即测距的相对精度表达式 测距乘常数误差与调制频率相对误差有关 石英晶体频率的温度特性 1 石英晶体的固有频率有着良好的稳定度 石英晶体振荡器广泛用于全站仪仪器测距的时间标准 石英晶体振荡器也早已在电子学领域获得了广泛的应用 仪器的精测频率调制信号是由石英晶体片为稳频元件的高稳定度的晶体振荡器产生的 晶体振荡器是电子测距仪发射部分的一个元件 它的作用是产生高频测距信号 并且它所产生的高频测距信号须具有频率稳定的特点 石英晶体频率的温度特性 2 普通的石英晶体振荡器的频率稳定度通常只有10 4 10 5数量级 和测距仪距离测量精度要求10 6数量级仍然有一段距离 石英晶体振荡器的频率稳定性与石英晶体的温度特性等有密切关系 其固有频率随温度而变化的规律如图所示 石英晶体振荡器的频率温度特性 石英晶体频率的温度特性 3 由于温度变化对石英晶体的频率的影响是非线性的 为了研究的方便 我们可以用泰勒级数来描述这一非线性误差 所以它的频率 温度特性方程可表示为根据一般的测量精度要求 展开式有三项就可以了 这是一条三次曲线 其残余误差一般在 1 2 10 6的范围 显然 可以用数学关系式描述的已知规律的误差当然就可以利用计算程序来实现误差的电子补偿 修正 石英晶体的温度补偿 石英晶体的频率误差对全站仪的测距精度有直接的影响 且晶体振荡器的调制频率又与温度有密切关系 所以 为了提高测距精度 保证晶体振荡器的调制频率的稳定性 必须对石英晶体进行温度补偿 温度补偿的两种方式 硬补偿 和 软补偿 硬补偿 对晶体采用恒温或温度补偿措施以提高频率的相对精度 即 将晶体置于横温槽中 可使 f f达到小于1ppm 或在晶体振荡器中增加温度补偿元件 如热敏电阻 使通过温度补偿元件控制振荡回路参数以抵偿温度导致的频率变化 满足石英晶体的频率变化要求 这个措施可使 f f达到2 5ppm 剩余误差较大 电路调试也比较繁琐 软补偿 就是运用微处理器中的存储和运算功能根据频率和温度t的函数关系对测距仪的示值进行精度修正的过程 晶体振荡器中的晶体频率与温度的关系可用一个以温度为变量的多项式来描述 并把多项式的各系数及f0存入储存器 利用仪器内的温度传感器随时测试仪器内石英晶体的实时温度 把测得的温度通过A D转换成数据输入微机中 通过计算推算出工作当时的晶体振荡器频率 用此值去计算距离 将大大提高仪器的精度且成本也低廉 软补偿 也曾经被商家炒作为所谓 动态频率技术 加乘常数误差的检验 六段基线比较法乘常数系统误差通常和加常数系统误差的检验一起进行 在已经定标的六段基线场上 按照全组合在强制归心的条件下观测获得21个边长观测值 经过气象改正 周期误差改正 确信周期误差显著才需要 后 跟已知边长值Di比较后获得一组 Di Yi 列出误差方程式 K为加常数 R为乘常数 vi为残差组成法方程 六段基线比较法 1 解法方程得 六段基线比较法 2 则仪器常数检验标准偏差及协方差分别为 一个采用比较法测试仪器加乘常数的实例 仪器型号 DTM 310机身号 010086测试地点 武汉比长基线场 加乘常数误差的认识论 按照传统的误差分类理论 加乘常数误差是从示值误差中分离出来的系统误差 是测距仪的准确度指标 而测距标准差则是从示值误差中分离出的随机误差的评价值 是测距仪的精度指标 由准确度和精度共同来评价仪器的精确度 因此国家计量规程对加乘常数不规定限差而仅以测距标准差作为测距仪精度 精确度 的评价指标是错误的 乘常数误差理论上是由仪器的时标偏差造成 仪器内部的人工比例改正常数 气象参数误差 幅相误差等等对乘常数误差的检测结果产生影响 此外 六段基线检测法是基于某一定温度气象范围和距离范围的检测结果 而不是全温度范围和全距离范围的检测结果 不应该提倡把检验得到的乘常数误差盲目地应用于测绘生产 其检测意义 当检验得到的乘常数值很小时 则该仪器乘常数误差性能合格的 当检验得到的乘常数值较大时 可以肯定仪器乘常数误差性能存在问题 加 乘常数较大时 当检验结论为乘常数较大时首先进行仪器频率的全温度范围测试验证当频率测试结论和基线检测结果基本一致时 对时标频率进行校正原因 1 仪器内部已经设置了人工比例改正常数或内部人工比例改正常数丢失解决办法 使用乘常数成果对仪器内部比例改正常数进行修正2 仪器的幅相误差或相位不均匀误差严重解决办法 判定仪器不合格 送维修部门处理 加 乘常数较大时 原因3 气象参数错误解决办法 重测4 仪器的气象单位设置与应用单位不一致解决办法 改正单位重算 加常数较大时1 棱镜常数设置错误解决方法 改正棱镜常数设置2 仪器常数设置错误解决方法 改正仪器常数设置3 内 外光路信号严重不平衡且幅相特性也不好解决方法 送修 加乘常数误差肯定可以被改正吗 误差是一个未知的常数 未知数当然没法改 计量部门不是可以把加乘常数误差检测出来吗 误差已知了怎么就不能改 从误差概念的角度 误差已知了就不再是误差 已知的常数当然可以改 除了傻子以外 任何测量工作者知道了误差值都会立即进行改正而使其灭失 就是说 误差一旦已知就必须马上被灭失 可以改的误差就不可能存在 存在的误差就肯定有不能改的理由 加乘常数误差肯定可以被改正吗 计量部门和仪器制造专业的专家们当然也不是傻子 他们技术水平肯定还不至于不会做加减法改正 况且测距仪还专门设计有加乘常数改正设置 有什么不得已的理由必须把这个检测出来了加乘常数误差留给测绘部门去做改正呢 计量界经常听到这样一句行话 那就是 仅对当前样本负责 这句话就已经回答了加乘常数检测值能否用于测绘成果改正的问题 加乘常数误差肯定可以被改正吗 问题的症结 误差是不稳定的 稳定的误差早已被人改过了 早已灭失了 轮到计量部门检测仪器的阶段 就不能再相信还能捡到稳定误差的便宜了 就加乘常数误差本身而言 它的形成原理不仅包括光学0点 时间基准误差 而且还包括幅相误差 相位不均匀误差等缺乏长期稳定性的误差源的共同作用 测距仪的生产过程中 按照企业标准 仪器出厂时都已经根据一定的检测方法把加乘常数误差调整至0 但计量检测通过大批仪器统计却总发现 任何品牌仪器的加乘常数误差不都是0 而是服从于一个随机分布 这就是改正后的残差和不稳定性共同作用的效果 这个随机分布的宽窄恰恰就反映了这种仪器品质的优劣 一台测距仪的加乘常数误差的检测值只是这个随机分布中的一个样值而已 系统误差和随机误差不能合成吗 在计量检定规程中 加乘常数误差是根据误差方程按最小二乘原理从示值误差中分解出来的 既然可以分解 那当然就可以合成 合成是分解的逆过程而已 这是不存在任何数学障碍的 既然加乘常数误差也服从随机分布 那么合成方法还是根据同样的误差方程 v R C是三个彼此独立的随机变量 其各自的标准差都可以从计量检测统计数据或仪器技术资料中获得 那么仪器示值的标准不确定度的合成公式自然就是 幅相误差 幅相误差是因为接收电子线路及自适应系统的特性的不完善 回光信号存在强弱不同而导致的测距误差 自动增益控制电路在控制电路放大增益的同时也改变了电路的延迟参数 自动增益控制的范围不够或特性不好 或者自动增益控制失效 会使得信号产生非线性畸变 自适应系统的调整范围不够所致 譬如在距离很近时 回光信号很强 光强控制系统即使把减光板调整到最黑区域都可能不能将光强压制到接收电路所能承受的范围 而内光路的光强又是稳定不变的 回光信号的强弱是随被测距离的增大而减小 但不是线性关系 幅相误差也是随距离而呈现单调变化的非线性误差 这种非线性误差中的线性成分和前面介绍的乘常数误差具有类似的数学规律 所以幅相误差大的仪器的乘常数误差也偏大 幅相误差大的仪器也能导致加常数的检测结果异常 如图是减光调节范围不够导致幅相误差的一种情形 在距离很近时 由于回光信号很强 减光板工作在最黑的极限区域都不能将信号调整到接收电路的承受范围 误差很大 随着距离的增大 信号迅速减小 减光板工作在正常区域 幅相误差几乎为0 随着距离的继续增大直到减光板工作在最亮极限区域 无衰减 接收信号随距离的增大而减弱 再次产生幅相误差 由于仪器的接收灵敏度 发光功率 大气透光特性等都是可变的 所以同一台仪器的幅相误差特性只要存在也就是不稳定的 实践中不能将幅相误差作为所谓系统误差来处理 因此幅相误差导致的加乘常数不是真正意义的加乘常数 对于存在幅相误差同一仪器而言 可能因检验基线的距离配置不同而使得检验距离落在幅相误差的出现区域位置的不同 于是获得不同的加乘常数检验结果 譬如 当