任務2-4精密測距

1、任務2-4精密測距任務2-4 精密測距一、電磁波測距隨著近代光學、電子學的發(fā)展和各種新穎光源的出現(xiàn)，物理測距技術得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了以激光、紅外光、微波等為載波的電磁波測距儀。電磁波測距英文縮寫為EDM，是利用電磁波作為測距信號和載波進行長度測量的一門技術。電磁波的波譜包括：無線電波（含微波）、紅外光、可見光、紫外光、X射線和射線等。與鋼尺量距和視距法測距相比，電磁波測距具有測程遠、精度高、作業(yè)快、受地形限制少等優(yōu)點。1.電磁波測距的基本原理電磁波測距是通過測定電磁波波束在待測距離上往返傳播的時間來確定待測距離的。如圖2-27所示，欲測量A、B兩點間的距離D，在A點安置電磁波測距儀主機，在B點

2、安置反光鏡或副機，主機發(fā)出的電磁波經(jīng)反光鏡或副機接受轉發(fā)，又返回到主機。設光速c為已知，如果電磁波在待測距離D上的往返傳播時間為t，則距離D為（2-19）式中：c為電磁波在測線上的傳播速度，約等于3108m/s;T為電磁波在被測距離上往返一個來回所用的時間。 c t D = 12 不難看出，利用電磁波測距，只要在測程范圍內，中間無障礙，任何地形條件下的距離均可測量。因此，在大地測量、地形地籍測量，以及其他測量中廣泛的應用著各種類型的電磁波測距儀。電磁波測距按測量測距信號往返傳播時間t的方法不同，分為脈沖式測距和相位式測距。用直接測定t求得距離的方式稱為脈沖式測距；用間接測定t求得距離的方式稱為

3、相位式測距。具體原理如下：1）脈沖式測距基本原理脈沖式測距就是由測距儀發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一種脈沖波，被目標反射回來，再由儀器接收器接收，儀器的顯示系統(tǒng)顯示出光脈沖往返傳播的時間t，或直接顯示距離。目前脈沖法測距儀，一般用固體激光器作光源，能發(fā)射出高頻率的光脈沖，因而這類儀器可以不用合作目標（如反射器），直接用被測目標對光脈沖產(chǎn)生的漫反射進行測距，在地形測量中可實現(xiàn)無人跑尺，從而減輕勞動強度，提高作業(yè)效率。特別是在懸崖陡壁的地方進行地形測量，這種儀器更具有實用意義。脈沖式測距的主要優(yōu)點是測程遠，功耗小，但由于脈沖寬度和計數(shù)器時間分辨能力的限制，直接測定時間一般達到10s-8s，相應測距精度為1m5m，

4、精度較低。使其應用于精密距離測量受到一定限制。近年來，脈沖法測距在技術上有了新進展，精度指標有新的突破，如人衛(wèi)激光測距儀和地月激光測距儀就屬于脈沖法測距儀?，F(xiàn)在已經(jīng)有多個廠家生產(chǎn)出了用于常規(guī)測量，精度達到2mm+(12)10-6D的脈沖式測距儀。2）相位式測距相位式測距是通過測量連續(xù)的調制光波在待測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位變化來間接測定傳播時間，從而求得被測距離。相位式測距與脈沖式測距相比較，主要優(yōu)點是測距精度高，一般可達12cm，所以相位式測距在精密距離測量中獲得廣泛應用。二、電磁波測距儀1.測距儀的種類目前，由于電磁波測距儀的迅速發(fā)展和新產(chǎn)品的不斷問世，電磁波測距儀各類繁多，有多種不同的

5、分類。（1）由于不同頻率或波長的電磁波在特性上有很大差異，所以電磁波測距儀按載波源的不同又分為激光測距儀、紅外測距儀、微波測距儀三類。其中激光測距儀與紅外測距儀又合稱光電測距儀。（2）按照測程的長短可分為短程測距儀、中程測距儀和遠程測距儀。短程光電測距儀：測程在3km以內，測距精度一般在lcm左右。這種儀器可用來測量三等以下的三角鎖網(wǎng)的起始邊，以及相應等級的精密導線和三邊網(wǎng)的邊長，適用于工程測量和礦山測量。這類測程的儀器很多，如瑞士的ME3000，精度可達（0.2mm+0.5 10-6 ）；DM 502、 DI3S、DI4，瑞典的AGA-112、AGA-116，美國的HP3820A，英國的CD

6、6，日本的RED2，SDM3E。中程光電測距儀：測程在315km左右的儀器稱為中程光電測距儀，這類儀器適用于二、三、四等控制網(wǎng)的邊長測量。如我國的JCY-2、DCS-1，精度可達（lOmm+1 10-6 ），瑞士的ME5000精度可達（0.2mm+0.210-6 ）、DI5、DI20，瑞典的AGA-6、AGA-14A等精度均可達到（5mm+5PPm）。遠程激光測距儀：測程在15km以上的光電測距儀，精度一般可達(5mm+110-6 ），能滿足國家一、二等控制網(wǎng)的邊長測量。如瑞典的AGA-8、AGA-600，美國的Range master，我國研制成功的JCY-3型等。（3）按測距精度（每千米測

7、距中誤差）可將測距儀分為、級。電磁波測距儀的標稱精度常用下式表示：（2-26）式中：MD為測距中誤差，單位為mm；a為固定誤差，單位為mm；b為比例誤差系數(shù)；D為兩點間的水平距離，單位為mm。當D為1千米時，則MD為1千米的測距中誤差。按此指標，將測距儀化分為、級，如表2-12所示：表2-12 測距儀的精度分級 MD =(a+b10-6 D) 測距中誤差（mm）MD5 5 MD 10 10 MD20 測距儀精度等級 （4）按反射目標可將測距儀分為具有漫反射目標（非合作目標即免棱鏡）的測距儀、具有合作目標（平面反射鏡、角反射鏡等）的測距儀和具有有源反射器（同頻載波應答機、非同頻載波應答機等）的測

8、距儀。三、電磁波測距誤差來源及其影響測距誤差的大小與儀器本身的質量，觀測時的外界條件以及操作方法有著密切的關系。為了提高測距精度，必須正確地分析測距的誤差來源，性質及大小，從而找到消除或削弱其影響的辦法，使測距獲得最優(yōu)精度。影響測距的誤差，就其方式來講，有些是與距離成比例的稱為比例誤差；另一些誤差影響與距離長短無關，稱其為固定誤差。具體如下：1、比例誤差的影響由上述可知可，光速值 、調制頻率 和大氣折射率 的相對誤差使測距誤差隨距離 而增加，它們屬于比例誤差。這類誤差對短程測距影響不大，但對中遠程精密測距影響十分顯著。（1）光速值c的誤差影響1975年國際大地測量及地球物理聯(lián)合會同意采用的光速

9、暫定值為c=2997924581.2m/s這個暫定值是目前國際上通用的數(shù)值，其相對誤差 ，這樣的精度是極高的，所以，光速值c對測距誤差的影響甚微，可以忽略不計。（2）調制頻率 的誤差影響調制頻率是由儀器的主控振蕩器產(chǎn)生的，調制頻率誤差的來源主要有兩個方面：一是裝調儀器時頻率校正的精確性不夠；二是振蕩器所用晶體的頻率穩(wěn)定性不好。對于前者，由于是高精度的數(shù)字頻率計作頻率校準的，其誤差可以忽略不計。對于后者，則與主控振蕩器所用的石英晶體的質量、老化過程以及是否采用恒溫措施密切相關。由于紅外測距儀中都采用了精粗測定值銜接的運算電路，所以作業(yè)前應對它的精測晶振頻率進行校正，一般要求 在0.510-61.

10、010-6范圍內。短期內它的影響可以忽略。對于粗測頻率，只要求有10-4的精度，一般石英晶體振蕩器均可滿足要求。（3）大氣折射率的誤差影響大氣折射率的誤差是由于確定測線上平均氣象元素（氣壓、溫度、濕度）的不正確引起的，這里包括測定誤差和氣象代表性誤差（即測站與鏡站上測定值之平均，經(jīng)過氣象元素代表性改正后，依舊存在的代表性誤差）。正確地測定測站和鏡站上的氣象元素，并使算得的大氣折射系數(shù)與傳播絡徑上的實際數(shù)值十分接近，從而大大地減少大氣折射的誤差影響，這對精密中、遠程測距乃是十分重要的。因此，在實際作業(yè)中必須注意以下幾點：氣象儀表必須經(jīng)過檢驗，以保證儀表本身的正確性。氣象代表性的誤差影響較為復雜，

11、它受到測線周圍的地形、地物和地表情況以及氣象條件諸因素的影響。為了削弱這方面的影響，選點時應注意地形條件，盡量避免測線兩端高差過大的情況，避免視線擦過水域。觀測時，應選擇在空氣能充分調和的有微風的天氣或溫度比較穩(wěn)定的陰天。氣象代表性的誤差影響，在不同的時間（如白天與黑夜），不同的天氣（如陰天和晴天），具有一定的偶然性，有相互抵消的作用。因此，采取不同氣象條件下的多次觀測取平均值，也能進一步地削弱氣象代表性的誤差影響。2、固定誤差的影響如前所述，測相誤差，儀器加常數(shù)誤差和對中誤差都屬于固定誤差。它們都具有一定的數(shù)值，與距離的長短無關，所以在精密的短程測距時，這類誤差將處于突出的地位。（1）對中誤

12、差對于對中或歸心誤差的限制，在控制測量中，一般要求對中誤差在3mm以下，要求歸心誤差在5mm左右。但在精密短程測距時，由于精度要求高，必須采用強制歸心方法，最大限度地削弱此項誤差影響。（2）儀器加常數(shù)誤差儀器加常數(shù)誤差包括在已知線上檢定時的測定誤差和由于機內光電器件的老化變質和變位而產(chǎn)生加常數(shù)變更的影響。通常要求加常數(shù)測定誤差 0.5 ，此處 為儀器設計（標稱）的偶然中誤差。對于儀器加常數(shù)變更的影響，則應經(jīng)常對加常數(shù)進行及時檢測，予以發(fā)現(xiàn)并改用新的加常數(shù)來避免這種影響。此外，不同廠家的儀器所配套反射鏡也不同，使用時應注意配套。必須代用時，使用之前應該準確測定儀器加常數(shù)。（3）測相誤差測相誤差

13、是由多種誤差綜合而成。這些誤差有測相設備本身的誤差，內外光路光強相差懸殊而產(chǎn)生的幅相誤差，發(fā)射光照準部位改變所致的照準誤差以及儀器信噪比引起的誤差。減弱（或消除）這些誤差的最好方法就是選擇良好的大氣條件配置適當?shù)姆垂忡R，可以減少測相誤差的影響；此外，觀測前要精確進行光電瞄準，使反射器處于光斑中央，以減少照準誤差的影響，多次精心照準和讀數(shù)，取平均后的照準誤差可望小于5mm。（4）周期誤差所謂周期誤差，是指按一定距離為周期而重復出現(xiàn)的誤差。它是由于機內同頻串擾信號的干擾而產(chǎn)生的。這種干擾主要由機內電信號的串擾而產(chǎn)生。如發(fā)射信號通過電子開關，電源線等通道或空間渠道的耦合串到接收部分，也可能由光串擾產(chǎn)

14、生，如內光路漏光而串到接收部分。周期誤差可采取測定其振幅和初相而在觀測值中加以改正來消除其影響。四、全站儀精密測距全站儀是將電子經(jīng)緯儀、電子測距儀和電子記簿組合在一起，在同一微處理機控制下，在測站上能同時自動測定和顯示距離、水平角和垂直角，并能計算地面點的三維空間坐標的儀器。全站儀距離測量必須選用與全站儀配套的合作目標，即反光棱鏡。由于電子測距為儀器中心到棱鏡中心的傾斜距離，因此儀器站和棱鏡站均需要精確對中、整平。在距離測量前應進行氣象改正、棱鏡類型、棱鏡常數(shù)改正、測距模式的設置和測距回光信號的檢查，然后才能進行距離測量。儀器的各項改正是按設置儀器參數(shù)，經(jīng)微處理器對原始觀測數(shù)據(jù)計算并改正后，顯

15、示觀測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)的。只有合理設置儀器參數(shù)，才能得到高精度的觀測成果。1.設置大氣改正由于儀器是利用紅外光測距，光束在大氣中的傳播速度因大氣折射率的不同而變化，而大氣折射率與大氣的溫度和氣壓有關。儀器設計是在溫度T=15，標準大氣壓P=1013hpa（760mmHg）時氣象改正數(shù)為0ppm。氣象改正數(shù)可以輸入溫度、氣壓值由儀器自動完成氣象改正數(shù)的計算和設置，也可以直接輸入氣象改正數(shù)ppm值進行設置。2.大氣折光和地球曲率改正儀器在進行平距測量時，可對大氣折光和地球曲率的影響進行自動改正。注：通常儀器在出廠時已對大氣折光系數(shù)進行設置，該儀器出廠時已設置為 =0. 14。 值有0.14和0.2

16、可選。也可選擇關閉。3.設置目標類型全站儀的目標內型可設置為紅色激光測距和不可見光紅外測距，可選用的反射體有棱鏡、無棱鏡及反射片。用戶可根據(jù)作業(yè)需要自行設置。使用時所用的棱鏡需與棱鏡常數(shù)匹配。4.設置棱鏡常數(shù)當用棱鏡作為反射體時，需在測量前設置好棱鏡常數(shù)，一般PC=-30mm。一旦設置了棱鏡常數(shù)，關機后該常數(shù)將被保存。5.精密距離測量次數(shù)設置按規(guī)范要求，精密距離測量通常要求多個測回，因此，在測距前，應對距離測量次數(shù)按照規(guī)范要求進行設置。當預置了觀測次數(shù)時，儀器就會按設置的次數(shù)進行距離測量并顯示出平均距離值。6.測量在上述測距參數(shù)等全部設置完成后即可進行精密距離測量。如下圖所示，在精確照準棱鏡后

17、按【測距】鍵，即可測距并顯示距離值。用戶可根據(jù)需要選擇斜距、平距測量值。五、技能訓練全站儀精密距離測量1.實訓目的（1）掌握溫度計、氣壓計的正確使用；（2）掌握正確安置測距儀器及反射鏡，學會電磁波測距參數(shù)的設置；（3）掌握全站儀精密測距的作業(yè)方法和規(guī)程。2.實訓任務與要求（1）了解規(guī)范工程測量規(guī)范（GB50026-2007）對距離測量的要求；（2）掌握溫度計、氣壓計的正確使用；（3）學習規(guī)范，掌握全站儀測距一測回的觀測方法和規(guī)程，并運用限差指標計算檢核成果質量?！緦嵱?-3】4.實訓內容1）安置全站儀在測站上并對中、整平。2）在測線的另一端點上，安置棱鏡，對中、整平并瞄測距方向。3）設置距離測量參數(shù)：（1）設置測距改正參數(shù)氣象改正ppm：讀取溫度和氣壓，輸入溫度、氣壓值由儀器自動計算氣象改正數(shù)，也可直接輸入氣象改正數(shù)ppm值進行設置。棱鏡常數(shù)改正pc：根據(jù)使用的棱鏡型號輸入常數(shù)值進行設置，一般pc=-30mm。（2）設置測距次數(shù)設置精測次數(shù)為4次。（3）選擇測距類型測距類型有傾斜距離、平面距離、高