精密电磁波测距方法课件.ppt
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1、大地测量学基础大地测量学基础5.7 5.7 精密的电磁波测距方法精密的电磁波测距方法p测距方法有:测距方法有:分划尺比对、视距测量、电磁波测距(微波、激光或红外)分划尺比对、视距测量、电磁波测距(微波、激光或红外)以及全站型电子速测仪等。以及全站型电子速测仪等。p大地测量中,为了推算控制点坐标,必须测定网中少量边大地测量中,为了推算控制点坐标,必须测定网中少量边长为起始边长,并作为网中的尺度基准。(基线边)长为起始边长,并作为网中的尺度基准。(基线边)p精密测距方法:精密测距方法:2020世纪世纪5050年代:铟瓦线尺丈量;年代:铟瓦线尺丈量;7070年代后:精密电磁波测距;年代后:精密电磁波
2、测距;近近1010余年:余年:GPSGPS测量(中、远距离测量)。测量(中、远距离测量)。本节介绍精密电磁波测距的基本原理、测距成果处理以及误本节介绍精密电磁波测距的基本原理、测距成果处理以及误差分析等。差分析等。铟瓦基线尺与电磁波测距仪铟瓦基线尺与电磁波测距仪轴杆架轴杆架卫星激光测距仪卫星激光测距仪p国际长度基准国际长度基准 国际米原器国际米原器l 18891889年以来,国际米原型尺:过巴黎地球子午线的四千万分之年以来,国际米原型尺:过巴黎地球子午线的四千万分之一的长度;一的长度;l 19601960年年1010月新米定义:氪月新米定义:氪-86-86原子辐射波长的原子辐射波长的16507
3、63.731650763.73倍的长倍的长度;度;l 19751975年年8 8月,重新定义,采纳:甲烷线波长的月,重新定义,采纳:甲烷线波长的294791.21294791.21倍为米倍为米长度。长度。现行现行“米米”的定义:的定义:l 19831983年年1010月召开的第十七届国际计量大会上,通过米定义:月召开的第十七届国际计量大会上,通过米定义:“光在真空中光在真空中1/2997924581/299792458秒的时间间隔内所行进路程的长度秒的时间间隔内所行进路程的长度”。l 我国采用国际适用单位我国采用国际适用单位m m。p电磁波测距的两种方式:电磁波测距的两种方式:1 1)脉冲式测
4、距脉冲式测距测距仪发射测距仪发射脉冲波脉冲波,被目标返回,被目标返回后,由仪器接收,后,由仪器接收,直接直接测出脉冲往返传播时间测出脉冲往返传播时间t t。测程远时,其精度不如相位式的精度高。测程远时,其精度不如相位式的精度高。2 2)相位式测距相位式测距测距仪发射测距仪发射正弦调制波正弦调制波,反射,反射后由仪器接收,测出调制波在往返距离上的相位后由仪器接收,测出调制波在往返距离上的相位差差(间接测时),(间接测时),推算出距离,精度可达推算出距离,精度可达1 12cm2cm。5.7.1 5.7.1 电磁波测距基本原理电磁波测距基本原理p相位式测距分类相位式测距分类u按测程分有短程(按测程分
5、有短程(3km15km15km)u按精度分为按精度分为级(每级(每kmkm中误差中误差5mm5mm)、)、级(级(5 510mm10mm)、)、级(级(101020mm20mm)u按载波频率分为光波(光速、红外、激光)、微波、多载波按载波频率分为光波(光速、红外、激光)、微波、多载波1.1.脉冲式测距基本原理公式脉冲式测距基本原理公式(直接测时)(直接测时)p式中:式中:c c是电磁是电磁波在大气中的传波在大气中的传播速度;播速度;t t是电是电磁波在距离磁波在距离D D上上往返一次的时间。往返一次的时间。p棱镜反射器特点:棱镜反射器特点:具有三个相互垂直的反射角;具有三个相互垂直的反射角;反
6、射光线平行于入射光线;反射光线平行于入射光线;多块棱镜可以组合,且组合棱镜可以同光叠加。多块棱镜可以组合,且组合棱镜可以同光叠加。p脉冲式测距精度低,多用于远距离精度要求不高的测距以及地形测量等。脉冲式测距精度低,多用于远距离精度要求不高的测距以及地形测量等。2.相位式测距原理公式相位式测距原理公式(间接测时)(间接测时)p利用光波作为利用光波作为“运输工具运输工具”(载波),通过一个调制器使(载波),通过一个调制器使载波的振幅或频率按照调制波的变化做周期性变化。载波的振幅或频率按照调制波的变化做周期性变化。p测距时,通过测量调制波在待测距离上往返传播所产生的测距时,通过测量调制波在待测距离上
7、往返传播所产生的相位变化相位变化,间接地确定传播时间,间接地确定传播时间t t,进而求的待测距离,进而求的待测距离D D。1224ctDctffa)a)安置测距仪、反射器安置测距仪、反射器;b)b)调制光波通过测线到调制光波通过测线到达反射器,并经反射达反射器,并经反射器被仪器接收器接收器被仪器接收器接收;c)c)将调制光波的往、返将调制光波的往、返程展开在一直线上,程展开在一直线上,用波形示意图表示。用波形示意图表示。ft222()2(),2NNNN1()()()222cDctNNNNu NNf是整周未知数(称为“电子尺”)Nu22tft相位差:相位差:p意义:用半波长电测尺,测了意义:用半
8、波长电测尺,测了N N个整尺段和不足一尺段的尾数个整尺段和不足一尺段的尾数N N。又:又:故有相位式测距原理公式为:故有相位式测距原理公式为:1111(0)22cDNNf设:1111()()=022nncDNnNnf逐渐变动调高频率:()111ffnfNn5.7.2 N5.7.2 N值解算方法值解算方法()Du NN公式中公式中u已知,测相器只能测出已知,测相器只能测出N,故求,故求D还需知还需知道道N值。值。测距时,测距时,连续变动调连续变动调制频率使其制频率使其调制波长也调制波长也发生连续的发生连续的变化。变化。n是调制是调制频率变化引频率变化引起信号强度起信号强度作周期性变作周期性变化的
9、次数。化的次数。1.1.可变频率法:可变频率法:测尺频率测尺频率15MHz15MHz1.5MHz1.5MHz150kHz150kHz15kHz15kHz1.5kHz1.5kHz测尺长度测尺长度精精 度度10m10m1cm1cm100m100m10cm10cm1km1km1m1m10km10km10m10m100km100km100m100m2.2.固定频率法固定频率法p频率与测程的关系:频率与测程的关系:2cufu不难看出:测相精度与测程成反比。不难看出:测相精度与测程成反比。u可见,用单一频率的测量来解决单值解,精度和测程不能兼顾。可见,用单一频率的测量来解决单值解,精度和测程不能兼顾。u为
10、此,采用一组为此,采用一组“测尺测尺”共同测距,来扩大测程,并提高精度。共同测距,来扩大测程,并提高精度。u用用精测频率精测频率测定余长以保证精度,设置多级频率测定余长以保证精度,设置多级频率(粗测频粗测频率率)来解算来解算 N N 而保证测程,从而解决而保证测程,从而解决“多值性多值性”问题。问题。电磁波测距是在电磁波测距是在地球自然表面地球自然表面以及以及实际大气条实际大气条件件下,通过仪器进行的,故测得的距离只是初步下,通过仪器进行的,故测得的距离只是初步值,因而需要一系列的改正计算。值,因而需要一系列的改正计算。5.7.3 5.7.3 距离观测值的改正距离观测值的改正第一类:大气折光引
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