第五章 6精密电磁波测距.ppt

1、第五章 .精密电磁波测距,电磁波测距仪的分类和分级 脉冲法测距原理 相位法测距原理 全站仪中测距新技术 距离观测值的改正 测距误差来源,上一讲应掌握的内容,一、精密水准测量的误差来源及影响 1、视准轴与水准轴不平行（ i角）的误差 2、水准标尺每米长度误差的影响 3、两水准标尺零点差的影响 4、温度变化对i角的影响 5、仪器垂直位移的影响 仪器的脚架随时间而逐渐下沉时的影响。 用后-前-前-后观测程序、作业熟练、硬路面观测误差小。 6、水准标尺（尺台）垂直位移的影响 主要是发生在迁站的过程中，由原来的前视尺转为后视尺而产生下沉。 7、大气垂直折光的影响 8、磁场对补偿式自动安平水准仪的影响 9

2、、观测误差的影响,用往返观测取平均来削弱这项误差,上一讲应掌握的内容,二、精密水准测量作业的一般规定 观测前30分钟，应将仪器置于露天阴影处； 仪器距前、后视水准标尺的距离应尽量相等； 同一测站上观测时，不得两次调焦； 使用倾斜螺旋和测微螺旋，其最后旋转方向均应为旋进； 在两相邻测站上，往测奇数测站按“后前前后”，偶数测站按“前后后前”的观测程序进行； 连续观测时，应使其中两脚螺旋与水准路线方向平行，而第三脚螺旋轮换置于路线方向的左侧与右侧； 每一测段的测站数均应为偶数； 每一测段应往测与返测，由往测转向返测时，两水准标尺应互换位置； 使用自动安平水准仪观测时，应对圆水准器严格检验与校正，观测

3、时应使圆水准器气泡居中；前后视不许调圆气泡。,（人盯人法）,（固定脚架法）,三、每站操作步骤（总结）,对于“后前前后”的观测程序 整置仪器水平 将望远镜对准后视标尺，转动测微轮用上丝和下丝照准标尺的基本分划，进行视距读数（四位数）。 然后，使符合水准器气泡符合，转动测微轮用楔形丝夹准标尺的基本分划线，读取标尺的基本分划读数（五位数） 照准前视标尺，使符合水准气泡符合，转动测微轮用楔形丝精确夹准标尺的基本分划线，读取标尺的基本分划读数。然后用上丝和下丝照准标尺的基本分划进行视距读数 照准前视标尺的辅助分划线，并使气泡符合，转动测微轮夹准标尺的基本分划线，读取标尺辅助分划。 再照准后视标尺辅助分划

4、线，使气泡符合，转动测微轮夹准标尺的基本分划线，读取后视标尺辅助分划。,四、精密水准测量观测有关限差,一、二等水准测量限差规定如下表：,例：二等水准测量，往测时第一站、第二站的读数如下：,第一站：4241, 3590, 39156, 30546, 3379, 2730, 91198, 99801； 第二站：3789, 2880, 33369, 30931, 3545, 2640, 91578, 94019。,424.1,359.0,391.56,305.46,337.9,273.0,911.98,998.01,65.1,64.9,+0.2,+0.2,+5,-2,+7,+86.03,+86.10

5、,378.9,288.0,333.69,309.31,264.0,354.5,940.19,915.78,90.5,90.9,-0.4,-0.2,+3,0,+3,-24.41,-24.38,K=60650,+86.06,-24.40,?,第五章 .精密电磁波测距,在大地测量中，须测定网中少量边长作为起始边长，作为网中的尺度基准。导线要进行边长测量。 因瓦基线尺（60年代之前） 电磁波测距仪 全站仪。,电磁波测距是利用调制有测距信号的电磁波作为载波，进行两点间距离测量。 调制的概念 调制波的概念 所谓激光测距仪或红外线测距仪，是以激光或红外线作为载波的测距仪。 设电磁波在测线上往返传播的时间为t

6、2D，电磁波在大气中的传播速度为c，则：,c0 电磁波在真空中的传播速度，n大气折射率,一、电磁波测距仪的分类和分级,载波源：光电测距仪(光波为载波：红外、激光) 微波测距仪(无线电波为载波) 载波数：单载波、双载波、三载波 （可见光、红外线、微波） 测距原理：相位式测距仪（固定频率、可变频率）、 脉冲式测距仪 测程：长(10km以上)、中(数公里至10km)、短(3km以内) 反射目标：合作目标、漫反射目标、有源反射目标 精度：级：mD5mm, 级： 5mm mD10mm, 级： 10mm mD205mm。,重要指标：精度、测程（有GPS后，长测程的测距仪渐淘汰）,二、脉冲法测距原理,脉冲法

7、测距就是直接测定仪器所发射的脉冲信号往返于被测距离的传播时间而得到距离值的，即测定发射脉冲与接收脉冲的时间差t2D 。,时标脉冲,电子门,计数器,光电 转换器,发射脉冲 接收脉冲,反射器,三、相位法测距原理,相位法测距是通过测量含有测距信号的调制波在测线上往返传播所产生的相位移，间接地测定电磁波在测线上往返传播t2D，进而求得距离值,往程,返程,A,B,A,2,2,2,=N 2+,1,2,N,N,光尺,？,N值解算的一般原理,有可变频率法和固定频率法两种。 1.可变频率法 （测距时连续变动调制频率，当然调制波长也作相应的连续变化。当 =0时）,解决办法：采用多个调制频率(即 n 个测尺)进行测

8、距。短测尺(称为精尺)测定精确的小数， 长测尺(称为粗尺)测定距离的大数。,问题：测距仪相位器只能测出不足一个整周期的相位差，而不能测出整周数N 。例如，“光尺”为10m，只能测出小于10m的距离；光尺1km只能测出小于1km的距离。由于仪器测相精度最高为11000，所以1km的测尺测量精度只有分米级。测尺越长、精度越低。,DLD ( NN ),2.固定频率法,相位法测距至少需三个测距频率,若光尺为1m,只能测出小于1m的距离，测距精度可达为1mm 若光尺为100m,可测出小于100m的距离,但测距精度为0. 1m 若光尺为10km,可测出小于10km的距离,但测距精度为10m 为了兼顾测程和

9、精度，在测距仪内设计和制造时采用多个调制频率进行测距。用短测尺测定精确的小数；用长测尺测定距离的大数。将两者衔接起来，就解决了长距离测量。如: 精测尺测得的距离为: 6.936m 粗测尺测得的距离为:387.0m 则:实际距离为: 386.963m 一般用三个频率测距，如:LD=1.5m ,100m ,10km 结论：相位法测距只少需三个测距频率 。,四、全站仪中测距新技术,（一）使用高频测距技术 测尺长度u好比测距仪的刻划，在测相精度一定的情况下，刻划越精细，亦即测尺越短，其测距精度越高。 但在测相器分辨率和精度有限的情况下，在电路躁声和背景躁声等因素干扰下，大幅度提高测距频率的技术有一定难

10、度。 目前精测频率达100MHz，即测尺长为1.5m。 高频技术的测距仪，必须配以稳频技术。,（二）温控与动态频率校正技术,测距频率的稳定与否直接关系到测距仪的测尺长度和比例误差的大小。测距频率由石英晶体振荡器产生，其频率稳定度一般只能达到510-5。环境气象条件的变化，特别是温度的变化，直接影响晶体振荡器的稳定。 采用温度补偿晶体振荡器：当温度变化时温补网络里的热敏电阻引起的频率变化量与晶体振荡器的频率变化量近似相等且符号相反，从而使频率得到补偿以提高稳定性。 采用频率合成技术得到所需要的频率（常用技术），使各频率之间严格相关，具有与温补晶体相同的频率稳定度。 动态频率技术：让发射频率随温度

11、变化而变化，适时提取机内温度变化参数，用计算频率代替实际发射频率进行距离解算 在标准温度下的频率F0和三个温度系数Ki，利用晶体频率随温度变化的多项式函数计算频率，来参加最终距离解算。,在高频中稳定度有限,被动保障措施,（三）无棱镜测距技术,区分脉冲法无棱镜测距和相位法无棱镜测距。 现在多数全站仪安装有两个光路同轴的发光管，提供两种不同光源的测距方式。一种是发射红外光束（IR模式），其波长780nm，用以棱镜或反射片测距，单棱镜可测距离3000m，精度（2mm+2ppmD)；一种是发射可见红色激光束，其波长为670nm，不用反射棱镜测距，可测距离80m（1500m），精度（3mm+2ppmD)

12、。两种测距方式可转换。 相位法无棱镜测距，采用动态频率技术，可以获得很高的测距精度。近十年来，脉冲法测距技术突破，也能得到几毫米的精度。,（四）目标自动识别技术,全站仪正朝着测量机器人的方向发展，自动瞄准与跟踪是重要的技术标志。 全站仪自动瞄准的原理是用CCD摄像机获取棱镜反射器影像与内存的反射器标准图像比较，获取目标影像中心与内存图像中心的差异量，同时启动全站仪内部的伺服电机转动全站仪照准部、望远镜，减少差异量，实现正确瞄准目标。比较与调整是反复的自动过程，同时伴随有自动对光等动作。 全站仪自动跟踪是以CCD摄像技术和自动寻找瞄准技术为基础，自动进行图像判断，指挥自身照准部和望远镜的转动、寻

13、找、瞄准、测量的全自动的跟踪测量过程。 启动目标自动识别测量时，全站仪中的CCD相机视场内如果没有棱镜，则先进行目标搜索；一旦在视场内出现棱镜，即刻进入目标瞄准过程；达到照准允许精度后，启动距离和角度的测量。,五、距离观测值的改正,1.气象改正 Dn（nn0的改正） 这是电磁波测距的重要改正，因为电磁波在大气中传输时受气象条件的影响很大。此项改正的实质是大气折射率对距离的改正。因折射率与气压、气温、湿度有关，因此习惯上我们称为气象改正。 测距仪的调制频率是根据测距仪选定的参考大气条件设计的，设与参考大气条件相应的折射率为n0，故仪器测算出来的距离为： 实际距离为：,标准大气压条件下单一波长的光

14、，巴雷尔-西尔色散公式： A=2 876.0410-7；B=16.28810-7；C=0.13610-7；n为在温度0，气压760 mmHg，湿度0%，含0.03%CO2的标准大气压条件下的折射率。,标准的群折射率为,根据上式可求出任何仪器的气象改正数。 如：=0.835m 得：ng=1.00029473,教材上（5-125）缺P,一般大气条件下光的折射率为：,光波的折射率的影响,由误差分析知： 测量温度1的误差可引起折射率n对应的距离误差为1ppm 测量气压1.0mb的误差可引起折射率n对应的距离误差为0.3ppm 测量湿度1.0mb的误差可引起折射率n对应的距离误差为0.04ppm 在精密

15、距离测量中，测距的同时，要使用温度计、空盒气压计、 通风干湿计来测定温度、气压、湿度。 温度要两端测；温度计、气压计、通风干湿计都不应受阳光照射,2.仪器加常数改正和乘常数改正,1)仪器加常数改正DC 因测距仪、反光镜的安置中心与测距中心不一致而产生的距离改正，称仪器加常数改正,包括测距仪加常数(C1)和反光镜加常数(C2) 。在测距仪的调试时，常通过电子线路补偿，使其为0，但实际上不可能严格为零，即存在剩余值，故有时又称为剩余加常数。当多次或用多种方法测定并确认仪器存在明显的加常数时，应在测距成果中加入仪器加常数改正：,2)乘常数改正DR (频率改正) 因测距仪的基准频率等因素产生的尺度参数

16、称为乘常数。 乘常数可通过一定检测方法求得，必要时可对观测成果进行改正。 可用六段法测定仪器的加常数； 用比较法可同时测定仪器的加常数和乘常数。,2.仪器加常数改正和乘常数改正,3)六段法测定仪器加常数的基本原理,六段法是一种不需要预先知道测线的精确长度，而用测距仪本身的测量成果，通过平差计算求定仪器加常数。 比较法在基线场测量，通过解算误差方程求仪器的 加常数和乘常数,3.波道曲率改正 电磁波在近距离上的传播可看成是直线，但当距离较远时，因受大气垂直折射的影响，就不是一条直线，而是一条半径为的弧线，实际测得的距离就是弧线D，我们把弧长D化为弦长D的改正称为第一速度改正。实际测距时，一般只是在

17、测线两端测定气象元素，由此求出测线两端折射率的平均值，代替严格意义下的测线折射率的积分平均值。这种以测线两端点的折射率代替测线折射率而产生的改正，叫第二速度改正。,k=0.130.25,波道曲率改正值很小，通常在15km以内的边长不考虑此项改正。,4.归心改正 5.周期误差改正 由于测距仪光学和电子线路的光电信号串扰，使得待测距离的尾数呈现按精测尺为周期变化的一种误差叫周期误差。,在测距精度要求较高，且A值大于仪器固定误差的1/2时，才加周期误差改正。,距离观测值的改正（总结）,1.气象改正 Dn 2.仪器加常数改正DC 3.仪器乘常数改正DR 4.波道曲率改正Dk 5.归心改正De 6.周期误差改正D 实测的距离加上以上的改正，就得到两点间的倾斜距离。气象改正