桥隧选修3精密距离测量市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

精密距离测量桥隧控制测量1/59[本章内容]①光电测距原理扩展②光电测距仪检验：加乘、周期等③精密测距注意事项④光电测距结果处理流程2/59ABD测距基本原理3/593.1电磁波测距仪分类1、按测定t方法

(l)脉冲式测距仪。直接测定仪器发出脉冲信号往返于被测距离传输时间，进而求得距离值一类测距仪。

(2)相位式测距仪。测定仪器发射测距信号往返于被测距离滞后相位φ来间接推算信号传输时间，从而求得所测距离一类测距仪。2、按测程分（1）长程光电测距仪：（≥15KM)，国家三角网及特级导线。（2）中程光电测距仪:（3～15KM），通惯用于普通等级控制测量。（3）短程光电测距仪：（≤3KM），工测用途。4/593、按载波源分（1）微波测距仪(microwaveEDMinstrument)：用微波段无线电波作为载波（远程）；（2）激光测距仪(laserEDMinstrument)：用激光作为载波（远程）；（3）红外测距仪(infraredEDMinstrument)：用红外光作为载波（中、短程），普通取0.85~0.93μm。②、③都是光波，统称为光电测距仪。微波和激光测距仪，测程可达60km，多用于大地测量；红外测距仪属于中、短程测距仪(测程为15km以下)，多用于小地域控制测量、地形测量、地籍测量和工程测量等。5/594、按载波数分5、按反射目标分6、按精度分按单位公里测距中误差划分为Ⅲ级（即mD=A+B

D，当D=1km时）：

①

Ⅰ级：mD≤5mm；

②

Ⅱ级：5mm<mD≤10mm；

③

Ⅲ级：10mm<mD≤20mm。A：固定误差，以mm为单位B：百分比误差系数，以mm/km为单位

D：测距边长，以km为单位6/593.2脉冲法测距基本原理及应用脉冲法测距基本原理7/59脉冲法测距对光脉冲要求1、含有足够强度为了测出较远距离，并到达一定精度。2、含有良好方向性能量能够集中在较小立体角内，还可准确地判断目标方位。3、含有良好单色性若单色性不好，空中杂散光和测距光信号一并进入测距仪接收系统，将使测距无法进行。8/594、含有很窄脉冲宽度防止反射回来光和发射出去光重合起来，不能测距。光脉冲宽度要远小于万分之一秒才能进行正常测距工作。若测定更近距离，光脉冲宽度还要更窄。激光巨脉冲9/593.3相位法测距基本原理及应用10/59相位式测距仪计算距离基本公式11/59精测和粗测数据正确组合

因为噪音影响、高频电路干扰、测相电路本身缺点等原因，相位式测距仪采取一组测尺频率(精测频率和粗测频率)对同一距离进行检相测量时，使测相带有一定误差，造成精测和粗测数据组合时可能在十米位发生差错。比如：

为了防止这么差错，可采取“置中值运算”方法。12/593.4光波测距仪检验新购置或经过修理测距仪，在使用之前，普通要进行全方面检验，其项目主要有:①功效检视:查看仪器各组成部分功效是否正常。②三轴关系正确性检校:对于同轴系统，则检验其一致性;对异轴系统，则检验其平行性。③发光管相位均匀性(照准误差)测定。④幅相误差测定。⑤周期误差测定。⑥加常数测定。13/59⑦乘常数(包含晶振频率)测定。⑧内部、外部符合精度检验。⑨适应性能检测:主要检测温度改变，工作电压改变对测距结果影响。⑩测程检测。

14/59附加相移△φ随距离(φ与距离相关)不一样而按正弦曲线规律改变，其周期为2π。即因为串扰信号引发周期误差周期为2π（等于精测尺长度)。△φ与K值相关，K值愈大，△φ也愈大。所以为了减小K值，必须加大测距信号强度，才能有利于减小周期误差。一、周期误差测定周期误差是指按一定距离为周期重复出现误差。周期误差主要起源于仪器内部固定串扰信号。普通地说，周期误差周期取决于精测尺长。1、什么是周期误差15/59周期误差更正数：16/592.周期误差测定方法-------“平台法”1)观察2)计算3)精度评定17/59二、仪器常数测定1.什么是仪器常数仪器常数包含仪器加常数和乘常数。

加常数是因为仪器电子中心与其机械中心不重合而形成一个计算更正数常数值;1）加常数

仪器加常数包含仪器加常数(Ki)和反光镜常数(Kr)。在测距仪调试中，常经过电子线路赔偿，使Ki=0，但不可能严格为零，即存在剩下值，所以又称为剩下加常数。18/592）乘常数

乘常数，就是当测距频率偏离其标准值而引发一个计算更正数乘系数，也称百分比因子。

用小型频率计，直接测定f实，进而求得Δf，对于求得乘常数更正就方便了。19/592.用六段解析法测定加常数1）基本原理

六段解析法是一个不需要预先知道测线准确长度而采取电磁波测距仪本身测量结果，经过平差计一算求定加常数方法。

设置一条直线(其长度几百米至几千米)，将其分为d1，d2，…，dn等n个线段。经观察得到D及各分段di长度后，则可算出加常数K。20/59六段法来历：普通要求加常数测定中误差mk应小于该仪器测距中误差md50%，即mK≤0.5md，代入式(4-57)，算得n=6.5，所以要求分成6~7段，普通取6段。21/592）加常数K计算

在六段法中，为提升测距精度，采取全组合观察法，此时共需观察21个距离值。点号普通取0,1,2,3,4,5,6，则需测定距离以下:

为了全方面检验仪器性能，最好将21个被测量长度大致均匀分布于仪器最正确测程以内。3）详细作业步骤

以6个独立分段距离更正数及加常数K作为未知数，经过平差计算就能够求出6段距离平差值和加常数K。22/593.5电磁波在大气中传输一、普通概念大气对电磁波测距影响，主要表现在两方面：1、使大气中电磁波传输速度小于真空中传输速度，扩大了在一定距离内传输时间；2、因为大气折射影响，使电磁波传输波道弯曲，使距离测得过长。计算电磁波测量距离，不能用真空中光速值c0=299792.458km/s，必须用实际光速值。23/59大气衰减主要影响测距仪测程降低。信号强度衰减随辐射波长降低而巨增，所以可见光谱中波衰减尤其厉害，波长大于10cm波，衰减得尤其小。波参数如振幅（强度）、相位、频率、偏振性、涉及波束横断面传输方向等随机改变是大气湍流影响结果，也就是在波传输旅程上空气密度不均匀随机改变结果。24/59大气湍流是由空气对流而形成许许多多涡流形成；每一个小涡流又与其速度、温度、折射率及其它原因亲密相关。因而由大气湍流形成大气场是个不平稳、不均匀、随机改变着折射场。大气湍流使得电磁波各种参数、都发生随机改变，其结果是使得进人接收机噪声功率光谱密度扩大，因而降低信/噪比值。25/59处理大气湍流问题一个最好伎俩，就是选择有利观察时间—湍流现象发生最小时间。（在普通情况下，日出后一小时和日落前一小时可能是这么有利观察时间）。在近地(12km内)对流层进行测量时，湍流影响更为厉害，这个对流层内时、空随机改变着折射场受空气压力、温度及湿度等原因制约着，它们都随高度增加而降低。26/59二、电磁波大气衰减电磁波在大气中传输时强度衰减主要有两种原因：1、大气气体分子吸收;2、大气密度改变及空中微粒散射。电磁波强度衰减与大气透射率、传输距离及波长等相关。强度衰减按布格(Bouguer)公式计算:27/59三、电磁波传输速度大气折射率是表示大气实际介质性质气体成份、温度、压力、湿度以及波长等函数1.大气折射率

对于无线电微波，在11～12km内对流层空间里，大气实际上是非色散介质，所以相速度和群速度是一致;对于光波，大气是色散介质，相速度和群速度二者不一样。28/592.光波折射率29/59可知：①测量温度1℃误差可引发折射率n，亦即距离有1ppm误差;②测量气压1.0mb误差可引发折射率n，亦即距离有0.3ppm误差;③测量湿度1.0mb误差可引发折射率n，亦即距离有0.04ppm误差。为确保折射率测定必要精度，准确测定温度是关键。应最少在测站两端点测量温度，分别计算折射率再取平均值，尽管如此，折射率平均值也不会优于1ppm，除非应用特殊设备和伎俩。对于湿度影响也不可忽略。30/593.微波折射率

无线电微波大气色散等于0，故在每点上微波折射率仅是气象元素T，p,e函数。31/59①测定气温1℃误差，可引发折射率n，亦即距离有1.4ppm误差;②测定气压lmb误差，可引发折射率n，亦即距离有0.3ppm误差;③测定水汽压lmb误差，可引发折射率n，亦即距离有2.6ppm误差。在测定微波折射率时，关键性参数是水汽分压测定，水汽压对微波折射率影响是光波100倍。所以，与光波测距不一样，在微波测距中必须沿整条测线十分准确地测定湿度。即便是这么，使nM好于3ppm精度也是很困难，所以微波测距精度普通都低于光波测距精度。32/592.大气参数测定大气温度：用通风干湿计或遥测通风干湿计同湿度一起测定。干、湿温精度分别是0.2℃及0.1℃。温度计应放在阴凉、通风处，离地物(包含地面、物体及人)等1.5m之外，要十分注意免受人体热量影响。大约每隔3～5min测定一次气象元素。温度计要按时检定，尤其要注意零点差及刻画误差检定和更正。

大气参数测量范围和精度，取决于测距仪类型、内精度、测距精度以及距离长短等。

控制测量电磁波测距，起码应在仪器站和反光镜站同时测定干温t、湿温t’、气压P。33/59大气压：测量通惯用精度高于lmb高质量空盒气压计测量。测量时要注意应把气压计平放在阴凉处，平静一段时间后再读数。注意测前、后对气压计检定，对测量气压值要加以温度、百分比误差及零点差更正。大气湿度：测量通常都采取(遥测)通风干湿计。在测湿温时要注意棉球湿润后在认定读数到达平衡时再使用，并随时注意棉球润湿以防干燥。34/59水汽压e计算：35/59四、电磁波波道弯曲

大气密度不均匀性使得电磁波在大气中传输波道不是一条直线而是一条曲线，为得到两测站点间直线距离，必须确定电磁波传导波道曲率半径。36/593.6测距结果归算

电磁波测距长度值应化算为标石间水平距离。电磁波测距长度更正计算可分为三类：仪器系统误差更正包含加常数更正、乘常数更正、周期误差更正。大气折射率改变所引发更正归算更正主要有倾斜更正、归算到参考椭球面上更正(简称为归算更正)、投影到高斯平面上更正(简称为投影更正)。对于较长距离(比如l0km以上)，还要加入波道弯曲更正。37/59一、仪器系统误差更正3、周期误差更正1、加常数更正2、乘常数更正加常数与距离长短无关，即：加常数更正值=加常数K乘常数更正值=乘常数×距离

乘常数普通以mm/百米或mm/公里表示，38/59二、速度更正（气象更正\大气折射率改变引发更正）1、第一次速度更正第一次速度更正公式由厂家依据详细仪器给出，如:第一次速度更正普通是采取仪站和镜站折射率平均值,而不是采取全测线折射率积分平均值，所以产生了折射率代表性误差，此项更正称为第二次速度更正。2.第二次速度更正39/59（一）测距结果化算简单项目：加常数更正、乘常数更正、气象更正、倾斜更正普通测距结果计算1．加、乘常数更正

w

加常数与距离长短无关，即：加常数更正值=加常数本身

w

乘常数普通以mm/百米或mm/公里表示，

乘常数更正值=乘常数×距离40/592．气象更正电磁波在大气中传输速度

随气象条件改变而改变，仪器中只能按一个固定值计算测距值，所以应进行气象更正。不一样仪器给出气象更正公式也不尽相同，普通在其使用说明书中给出。如：日本产TOPCON测距仪给出气象更正公式为：

Ka＝（279.66－）×10-6式中:p-大气压力（Pa）;t-大气温度(℃)

气象更正数Ka计算公式中,有是按公里数(10-6)求出,有是按百米数(mm/百米)求出。41/593．倾斜更正

l更正后斜距化算为测站所在水平面上距离；

倾斜更正公式：

D

＝S×cos

式中：S-施加了气象更正、加、乘常数更正斜距；

—竖直角。

l考虑到地球曲率及大气折光影响时,上式变为

D＝S×cosα－×S2×sinα×cosα式中：K-为大气折光系数，普通取为0.13；

R-为地球半径。注意：上式所求为测站所在水准面上距离。42/59例题某台测距仪，测得AB两点斜距＝1578.567m，测量时气压p＝121.323kPa，t＝25°C，竖直角α＝＋15

30

00

；仪器加常数K＝＋2mm，乘常数R＝＋2.5×10-6，求AB水平距离。其气象更正公式为：Ka＝（281.8－）×10-6解：1．气象更正

D1＝Ka×s＝(281.8－)

×1.578567＝62.3mm43/592．加常数更正

D2＝＋2mm3．乘常数更正

D3＝＋2.5×1.578567＝＋3.9mm4．更正后斜距

S＝S'＋

D1＋

D2＋

D3＝1578.635m5．AB水平距离D

D＝S×cosα＝1578.635×cos15

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＝1521.221m44/59三、几何更正

几何更正任务是将经过第一、第二次速度更正后波道弧线长改化为椭球面上弧长。P1、P2是两测站点；H1、H2为它们大地高；R，r分别为地球及波道曲率半径；γ、β是对应地球、波道曲率半径之夹角；d1是经第一、第二次速度更正后弧长度；d2是两测站间直线斜距；d3是椭球面弦长；d4是椭球面弧长。任务：d1—d2—d3—d4。

45/59利用测站点高程向椭球面上归算（一）分步法46/59计算步骤简化

为计算方便，往往将第二次速度更正k″、第一次弧弦更正（波道弧长改化为空中斜距）k1、第二次弦弧（椭球面弦长改化为椭球面弧长）更正k4合并在一起，亦即则，由观察值到椭球面弧长改化过程为：1、第一次速度更正：2、空中斜距化为椭球面弦长：3、改化为椭球面弧长（加第二次速度更正、波道弧弦更正、椭球面弦弧更正）：例47/59（二）一步法其中：48/59四、投影更正椭球面上P1P2弧长d4能够认为是椭球面这两点间大地线长度。按高斯投影法将它投影到高斯投影平面上，则成为P1′、P2′两点间曲线长度d4′。我们要求是P1′、P2′两点间直线距离S。因为平面上投影曲线和直线间夹角甚小，所以能够认为d4′＝S。

即：将椭球面上弧长投影到高斯平面上，得到高斯平面上两点间直线长。49/5950/59高斯投影面归算例51/593.7光波测距误差起源及精度预计空中光速值测定中误差折射率求定中误差测距频率中误差相位测定中误差顾及周期误差测定误差和仪器对中误差:相位法测距基本公式：仪器中加常数测定中误差周期误差测定中误差对中误差一、测距误差起源52/59测距误差分为两部分:与距离D成百分比误差、与距离无关误差；周期误差有其特殊性，它与距离相关但不成百分比。测距仪精度表示式：

百分比误差影响：大气折射率误差影响正确测定测站和镜站上气象元素，并使算得大气折射系数与传输络径上实际数值十分靠近，能够大大地降低大气折射误差影响，这对精密中、远程测距乃是十分主要。53/59光速值误差影响

光速值对测距误差影响甚微，能够忽略不计。调制频率误差影响

调制频率误差，包含两个方面，即频率校正误差（反应了频率准确度）和频率漂移误差（反应了频率稳定度）。频率误差影响在精密中远程