3章电测波测距解析课件.ppt
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1、第一节光电测距原理简介第一节光电测距原理简介 一、电测波测距的基本概念 自从1948年世界上制造出第一台光电测距仪(亦称电磁波测距仪)至今,不同光源、不同测程、不同精度、不同型号的测距仪已达数百种。我国亦能生产各种类型的测距仪。比较有代表性的有武汉地震研究所研制的JCY-3精密激光测距仪;北京光学仪器厂生产的DCJ32-1红外光测距仪;常州第二电子仪器厂生产的DCE2000红外光测距仪;南方仪器公司生产的ND3000红外光测距仪等。二、二、电磁波测距仪的分类和分级电磁波测距仪的分类和分级(1)按光源分类 按目前所采用的光源,可分为红外光测距仪,激光测距仪和微波测距仪三类。(2)按测程分类 短程
2、测距仪是指测程为3km及3km以内的测距仪;中程测距仪是指测程为3km及3km以上至15km的测距仪;远程测距仪是指测程为15km以上的测距仪。(3)按测距仪的精度分级按测距仪的精度分级 测距仪的精度,是指测距仪出厂的标称精度,以1km的测距中误差mD为参数。级:mD小于5mm;级:mD为510mm;级:mD为1020mm。三、脉冲式测距原理三、脉冲式测距原理 测距的主要特点是发射光脉冲,直接测定测距信号在大气中传播的时间,以确定待测距离。8/8/2022 7:41 AM电磁波测距基本原理电磁波测距基本原理测距仪测距仪反射器反射器发射波发射波接收波接收波 通过直接或间接地测定电磁波在被测距离上
3、通过直接或间接地测定电磁波在被测距离上往返传播的时间,同时求定电磁波在大气中传播往返传播的时间,同时求定电磁波在大气中传播的速度,即可按的速度,即可按 求得距离。求得距离。DtvD2218/8/2022 7:41 AM脉冲法测距脉冲法测距tcD218/8/2022 7:41 AM光的速度 30万千米/秒,是宇宙中最快的速度。8/8/2022 7:41 AM电磁波速度 300 000 000米/秒 V T =D300000000 0.000 000 001=0.3米300000000 0.000 000 000 1=0.03米300000000 0.000 000 000 01=0.003米30
4、0000000 0.000 000 000 001=0.0003米 精确到毫米时,记时要精确到小数点后12位8/8/2022 7:41 AM四、相位法测距原理(一)固频相位法测距的基本公式 光电测距仪以红外光或激光为载波,因受大气能见度和光能量耗散的影响,故其测程较短,但精度很高,为测绘单位广泛采用。如图所示,测距仪整置在A点上,反射棱镜整置在B点上,A、B两点间的待测距离为D。固频相位法测距,就是由测距仪发射连续的调制光波,然后测量调制光波往返于待测距离上的相位差,以间接测定时间,并按式求得待测距离。见图,若将调制光波在测线上按往返距离展平,则它返回到A点的相位,要比发射时延迟了角,即21
5、2DDctDDDtftTt22222 式中 为调制光波的角速度;T为调制光波的周期;为调制光波的频率。由式(5-2)得 (5-3)222DtfT 因为f为固定值,故测定调制光波往、返于待测距离上的相位差,实际上是间接测定调制光波在测线上往、返传播的时间。将式(5-3)代入式(5-1)后,得 式中 为调制光波的波长。2222fcDTcfc/在图中,设调制光波往、返于待测距离上的相位差整周数为N,不足一整周的相位差尾数为,即 将上式代入式,便可得测距基本公式 (3-1-5)式中,N为相位差尾数折合的不足一整周数;u称为测尺长度。)(222222NNuNNNND2N(二)(二)N值确定值确定 在固频
6、相位式光电测距仪中,由于测相器只能测定相位差的尾数,无法测出整周期数N,这就使式产生多值解,待测距离D仍无法确定。当测尺长度大于待测距离D时,有N=O,可以获得唯一的单值。然而目前的测相精度一般为1/1000,则对应的测距精度亦为1/1000,测尺长度越大,测距精度就越低。例如为7.154m。于是,把两根测尺的测量结果衔接起来,便得到完整、单一而精确的待测距离值657.154m,并由测距仪的显示器显示出来。即 657.2 +7.154 657.154 这就如同钟表用时针、分针和秒针配合起来精确指示时间一样。8/8/2022 7:41 AM相位法测距相位法测距8/8/2022 7:41 AM相位
7、法测距相位法测距Nr.Of WavelengthsPhase Shiftd)(21dnD8/8/2022 7:41 AM 2.1.5 2.1.5 自动脉冲数字测相波形原理图自动脉冲数字测相波形原理图emeremQCPY1Y2Tg图2-11 自动数字测相波形图 er 8/8/2022 7:41 AMf=c/s t =2 f t8/8/2022 7:41 AMN-为相位移的整周期数和调制光整波长的个数s-为调制光波长s-为不足一个波长的调制光的长度波长 为不足一个整周期的相位移尾数令 则有:D=u(N+N)(4-20)u 可以看作一个整尺的长度可以看作一个整尺的长度8/8/2022 7:41 AM
8、2su 当N=0时 fc222NNuD22fcD令fcu2则2 uD2u为光尺的一半,称为测尺长。8/8/2022 7:41 AM短测尺测出距离的尾数长测尺测出距离的大数8/8/2022 7:41 AM测尺频率与测距误差的关系测尺频率15MHZ1.5MHZ150KHZ15KHZ1.5KHZ测尺长度10m100m1km10km100km精 度 1cm10cm1m10m100m8/8/2022 7:41 AM例用u1=10米和u2=1000米两测尺测定某一小于1KM的距离(573.68),由u1测得 573,由u2测得3.68。则该距离D可由如下图示求得:由u1得 3.68米由u2得573 米距离
9、D 573.68 米8/8/2022 7:41 AM五、测距仪及电池维护和保养 在运输、使用和保管等各个环节中稍有不慎,变回对仪器造成损坏。应特别注意。第二节第二节 电磁波测距成果的改正电磁波测距成果的改正 野外用测距仪测量的距离值,须加入各种有关的改正数。这些改正可分为三类:第一类是因为大气折射而引起的改正,如气象改正;第二类是仪器本身误差引起的改正,如加常数改正、乘常数改正(或频率改正)和周期误差改正(该类改正数的参数,应按规定需送专门的仪器检验部门检验得出)等;第三类是归算方面的改正,如倾斜改正、归心改正、高程归算改正和距离改正等。一、测距仪系统误差改正一、测距仪系统误差改正(一)(一)
10、加常数改正加常数改正 设加常数检定值为,则加常数改正计算式为 (3-2-1)(二)(二)乘常数改正乘常数改正DR 设乘常数检定值为R;距离观测值为,则乘常数改正计算式为 (3-2-4)CDcDRDR(三)(三)周期误差改正周期误差改正 则当新购仪器的A0.55或已使用仪器的A0.77a时,须加入周期误差改正。周期误差改正的计算式为 (3-2-6)360sinuDADo二、大气折光改正二、大气折光改正(一)气象改正计算式(一)气象改正计算式 Dn=KD测 K=ns-n(二)气象改正的实施(二)气象改正的实施 1.向仪器置入气象元素 2.用厂家给定的公式计算 3.依据气象元素查图或表 查出比例因子
11、后再计算或者将椅子置入仪器 三、距离化算方面的改正三、距离化算方面的改正(一)实测距离(一)实测距离D化算为平距化算为平距DH 设经过气象、加常数、乘常数和周期误差改正后的倾斜距离为Ds,测距仪发射光轴几何中心与棱镜几何中心之间的高差为h,水平距离为D,则水平距离计算式为 (3-2-10)22hDDs(2)用垂直角计算水平距离)用垂直角计算水平距离 设发射光轴的垂直角观测值为;垂直角的地球曲率和大气垂直折光改正数为;大气垂直折光系数数为K;地球曲率和大气垂直折光改正系数为C;地球曲率半径为R;Ds以米为单位;则水平距离计算式为 61021cosssDRKffDD(二)将平距(二)将平距 DH归
12、算至椭球面归算至椭球面 1.归算至参考椭球面 将地面上测量得的水平距离归算为参考椭球面上的距离,须加入的改正,称为高程归算改正,简称归算改正。)1123(2423AHHmAmHRDDHRHDs光光 2.归算至工程施工投影面)1323(0HmAmHDHRHHDs光光(三)距离改化(三)距离改化 将参考椭球面上的距离归算为高斯平面上的距离,须加入的改正称为距离改正或投影改正。)1423(2220sRyssssmm第三节第三节 光电测距的误差分析光电测距的误差分析重点:重点:气象误差、仪器误差的影响规律。气象误差、仪器误差的影响规律。难点:难点:周期误差检验和加乘常数的影响。周期误差检验和加乘常数的
13、影响。一、一、测距误差的主要来源测距误差的主要来源 在相位法光电测距基本公式中,顾及 和仪器加常数后,可得 (3-3-1)经微分后,则依误差传播定律,得 CNfncDg221gncc/22222222222cfngcDmKDmDmfDmnDmcDmggpKfgncDmmmDfmnmcmmg2222222222224 上式表明,相位法测距的距离误差可分为两部分,一部分误差与测量的距离成比例,称为比例误差;别一部分误差与测量的距离无关,称为固定误差。或 22DmmmbaD22DbamD 应当说明,生产厂家给出的仪器标称精度,即测距中误差,它的一般形式为 (3-3-4)式中 a为固定误差以mm为单位
14、;b为比例误差,D以km为单位。它们是偶然误差,由统计回归分析得出。mmppmDbammDbamD610 二、各项误差分析二、各项误差分析(一)与距离有关的误差(一)与距离有关的误差 1.真空光速值的误差(真空光速值的误差(mc0)目前相位法光电测距采用的真空光速值,是1975年国际大地测量和地球物理联合会的推荐值,即c0=2997924581.2ms,相对中误差为4*10-9。因目前能达到的测距精度一般为,故此误差可略而不计。2.大气群折射率误差大气群折射率误差(mn)测尺长度 大气群折射率ng的误差将使测尺长度发生变化,从而产生测距误差。若要求测距误差 ,则需 ,在实际作业中,除非是高湿地
15、区精密测距,的影响一般可忽略不计。三、四等边长测量,应在观测的始末读取气温(读至0.2)和气压(读至0.5mmHg)。6101D1tmmHgemmHgp20,7.22gcun f 3.测距频率误差测距频率误差(mf)由石英晶体振荡器产生的精测频率决定了精测尺长,当它的实际频率f值相对标称频率f值偏差f值时,将引起精测尺长变化,从而产生比例测距误差。因晶体老化、恒温槽热惰性和测距时环境温度变化,将使精测频率产生漂移,这种误差是频率误差对测距影响的主要部分。(二二)与距离无关的误差与距离无关的误差 1.测相误差测相误差(m)目前,红外测距仪都采用自动数字测相的方法,把正弦波的参考信号和测距信号之间
16、的相位差,变换成检相方波并填充时钟脉冲来测定的。这种测相误差的数值,一般不超过1个最小显示单位。当用多个测回观测读数并取平均值时,误差便可减小。2.对中误差对中误差 一般垂球对中一般垂球对中2mm;光学对中光学对中1mm 3.仪器加常数的测定误差仪器加常数的测定误差 当待测距离是用内、外光路测量方法测定时,它的观测值是内、外光路测量值之差。如图5-22所示,在内光路测量中,调制光在玻璃棱镜和光导纤维管内传输的光程,折合成在大气中传输的等效光程时,内光路棱镜的等效反射面在处,它与测距仪对中点不一致,从而引起的距离改正数称为仪器常数。如图5-22 (5-32)使用的红外测距仪,均应定期检验仪器加常
17、数值,并把它预置在仪器内,由于它存在着测定误差,致使对加入仪器加常数改正后的测距成果有影响。2121CCDCDCDDC 4.周期误差周期误差 周期误差主要来源于测距仪内部光、电固定信号的串扰。例如,发射信号通过电子开关、电源线和空间耦合等渠道串到接收部分,形成相位固定不变的串扰信号。当有固定串扰信号时ec,相位计测得的相位差,是测距信号em和串扰信号ec的合成信号eK对参考信号的相位移K;而测距信号的相位移应为m。显然中含有串扰信号引起的附加相位移。这种测距误差,称为周期误差。周期误差的大小是以(即一个精测尺长)为周期、按正弦函数规律变化的。第四节第四节 电磁波测距仪的检验电磁波测距仪的检验
18、重点:重点:测距仪的常规检验。测距仪的常规检验。难点:难点:发光管相位均匀性检验、发光管相位均匀性检验、“六段法检验加六段法检验加乘常数乘常数”。一、检验项目一、检验项目 新购置、经过修理和使用中的中短程红外测距仪,须检验的项目有:测距仪的检视;发射、接收、照准三轴关系正确性的检验;内部符合精度的检验;精测频率的检验;周期误差的检验;仪器加、乘常数的检验;综合精度的检验;光学对点器的检验;气象仪表的检验等。可检验可不检验的项目有:发光管相位均匀性检验和幅相误差的检验。已经用于生产的测距仪,应在6-12个月检验一次周期误差和加常数、乘常数。激光光源的测距仪只进行频率检验和仪器常数检验。发射、接收
19、、照准三光轴平行性的发射、接收、照准三光轴平行性的检验和校正检验和校正 检验方法检验方法 校正方法校正方法 现以AGA112红外测距仪为例说明校正的方法。二、二、内部符合精度的检验内部符合精度的检验 检验的方法,是在环境条件良好的场地上,选择一段或几段(最多4段)长4001000m左右的距离,并在每段距离的两端安置测距仪和反射棱镜。光照准后,连续取10个距离观测值。设每段进行了次观测,各次观测距离值为Di,它们的平均值为D0,则有:于是一次观测距离值的中误差为 ioiDDV1nVVm 三、三、精测频率的检验精测频率的检验 目前生产的光电测距仪,没有频率检验插孔,需要用光电频率转换器,把受检仪器
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