精密電磁波測距方法課件

大地測量學基礎(chǔ)5.7精密的電磁波測距方法大地測量學基礎(chǔ)5.7精密的電磁波測距方法測距方法有：

分劃尺比對、視距測量、電磁波測距（微波、激光或紅外）以及全站型電子速測儀等。大地測量中，為了推算控制點坐標，必須測定網(wǎng)中少量邊長為起始邊長，并作為網(wǎng)中的尺度基準。（基線邊）精密測距方法：20世紀50年代：銦瓦線尺丈量；70年代后：精密電磁波測距；近10余年：GPS測量（中、遠距離測量）。本節(jié)介紹精密電磁波測距的基本原理、測距成果處理以及誤差分析等。測距方法有：大地測量中，為了推算控制點坐標，必須測定網(wǎng)中少量銦瓦基線尺與電磁波測距儀軸桿架銦瓦基線尺與電磁波測距儀軸桿架衛(wèi)星激光測距儀衛(wèi)星激光測距儀國際長度基準

國際米原器——1889年以來，國際米原型尺：過巴黎地球子午線的四千萬分之一的長度；1960年10月新米定義：氪-86原子輻射波長的1650763.73倍的長度；1975年8月，重新定義，采納：甲烷線波長的294791.21倍為米長度。現(xiàn)行“米”的定義：1983年10月召開的第十七屆國際計量大會上，通過米定義：“光在真空中1/299792458秒的時間間隔內(nèi)所行進路程的長度”。我國采用國際適用單位m。國際長度基準電磁波測距的兩種方式：1）脈沖式測距——測距儀發(fā)射脈沖波，被目標返回后，由儀器接收，直接測出脈沖往返傳播時間t。測程遠時，其精度不如相位式的精度高。2）相位式測距——測距儀發(fā)射正弦調(diào)制波，反射后由儀器接收，測出調(diào)制波在往返距離上的相位差（間接測時），推算出距離，精度可達1—2cm。5.7.1電磁波測距基本原理電磁波測距的兩種方式：2）相位式測距——測距儀發(fā)射正弦調(diào)制相位式測距分類按測程分有短程（<3km）、中程（3—15km）、遠程（>15km）按精度分為Ⅰ級（每km中誤差≤5mm）、Ⅱ級（5—10mm）、

Ⅲ級（10—20mm）按載波頻率分為光波（光速、紅外、激光）、微波、多載波相位式測距分類1.脈沖式測距基本原理公式（直接測時）

式中：c是電磁波在大氣中的傳播速度；t是電磁波在距離D上往返一次的時間。棱鏡反射器特點：具有三個相互垂直的反射角；反射光線平行于入射光線；多塊棱鏡可以組合，且組合棱鏡可以同光疊加。脈沖式測距精度低，多用于遠距離精度要求不高的測距以及地形測量等。1.脈沖式測距基本原理公式（直接測時）式中：c是電磁波在大氣2.相位式測距原理公式（間接測時）利用光波作為“運輸工具”（載波），通過一個調(diào)制器使載波的振幅或頻率按照調(diào)制波的變化做周期性變化。測距時，通過測量調(diào)制波在待測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位變化，間接地確定傳播時間t，進而求的待測距離D。2.相位式測距原理公式（間接測時）利用光波作為“運輸工具”（安置測距儀、反射器；調(diào)制光波通過測線到達反射器，并經(jīng)反射器被儀器接收器接收；將調(diào)制光波的往、返程展開在一直線上，用波形示意圖表示。安置測距儀、反射器；相位差：

意義：用半波長電測尺，測了N個整尺段和不足一尺段的尾數(shù)△N。又：故有相位式測距原理公式為：相位差：意義：用半波長電5.7.2N值解算方法

公式中u已知，測相器只能測出△N，故求D還需知道N值。測距時，連續(xù)變動調(diào)制頻率使其調(diào)制波長也發(fā)生連續(xù)的變化。

n是調(diào)制頻率變化引起信號強度作周期性變化的次數(shù)。1.可變頻率法：5.7.2N值解算方法

公式中u已知，測相器只能測出△N測尺頻率15MHz1.5MHz150kHz15kHz1.5kHz測尺長度精度10m1cm100m10cm1km1m10km10m100km100m2.固定頻率法頻率與測程的關(guān)系：不難看出：測相精度與測程成反比?？梢?，用單一頻率的測量來解決單值解，精度和測程不能兼顧。為此，采用一組“測尺”共同測距，來擴大測程，并提高精度。測尺頻率15MHz1.5MHz150kHz15kHz1.5k用精測頻率測定余長以保證精度，設置多級頻率(粗測頻率)來解算N而保證測程，從而解決“多值性”問題。

用精測頻率測定余長以保證精度，設置多級頻率(粗測頻率)來解算電磁波測距是在地球自然表面以及實際大氣條件下，通過儀器進行的，故測得的距離只是初步值，因而需要一系列的改正計算。5.7.3距離觀測值的改正第一類：大氣折光引起的：氣象、波道彎曲等；第二類：儀器本身造成的：加常數(shù)、乘常數(shù)等周期誤差；第三類：歸算方面：偏心、傾斜以及投影到橢球面上改正等。電磁波測距是在地球自然表面以及實際大氣條件下，通過儀1、氣象改正（1）輸入氣象因子后，儀器自動改正；（2）按公式計算氣象改正（注意不同儀器氣象改正公式不同）。（3）帶有傳感器，自動感知測站上的氣象參數(shù)，自動對測距加改正數(shù)。是電磁波測距重要改正；實質(zhì)就是大氣折射對距離的改正。例如DI20測距儀的紅外波長λ=0.835μm，參考大氣條件15oC,760mmHg。氣象改正公式為：1、氣象改正（1）輸入氣象因子后，儀器自動改正；是2.儀器加常數(shù)改正和乘常數(shù)改正

1)儀器加常數(shù)改正

因測距儀、反光鏡的安置中心與測距中心不一致而產(chǎn)生的距離改正，稱儀器加常數(shù)改正,包括測距儀加常數(shù)C1和反光鏡加常數(shù)C2。即：2.儀器加常數(shù)改正和乘常數(shù)改正

1)儀器加常數(shù)改正因2)乘常數(shù)改正當測定中、長的邊長，且測定精度要求較高。顧及儀器乘常數(shù)引起的距離改正，即：產(chǎn)生原因：調(diào)制頻率偏離其標準值引起的，也稱比例因子。式中：R為測距儀的乘常數(shù)系數(shù)（mm/km）；D0為觀測距離（km）。測距儀的加常數(shù)C、乘常數(shù)R應定期檢定。2)乘常數(shù)改正當測定中、長的邊長，且測定精度要求較高。六段法測定儀器加常數(shù)的基本原理不難看出：分段數(shù)n的多少，取取決于C的精度要求；一般要求，，算的n=6.5，應分成6-7段，故一般取6段。六段法測定儀器加常數(shù)的基本原理不難看出：分段數(shù)n的多少，取取19為提高測距精度，應增加多余觀測，故采用全組合觀測法，共測21個距離值。在六段法中，點號一般取為0、1、2、3、4、5、6，則須測定如下距離：為提高測距精度，應增加多余觀測，故采用全組合觀測法，共測213.波道曲率改正

產(chǎn)生原因：距離較遠時，電磁波受大氣垂直折射影響，其路線不是一條直線，而是一條弧線。實際測距時，在測線兩端測定氣象元素，由此求出測線兩端折射率的平均值，代替嚴格意義下的測線折射率的積分平均值。將弧長化為弦長的改正稱為“第一速度改正”。即：（K為折射系數(shù)，光波k=0.13，微波k=0.25）3.波道曲率改正

產(chǎn)生原因：將弧長化為弦長的改正稱為“第一速以測線兩端點的折射率代替測線折射率而產(chǎn)生的改正，稱“第二速度改正”，其計算公式為：第一速度改正與第二速度改正之和稱為“波道曲率改正”，

即：說明：K小于1，故波道曲率改正是負數(shù)；通常在15km以內(nèi)邊長，可以不考慮改正。以測線兩端點的折射率代替測線折射率而產(chǎn)生的改正，稱“第二速度產(chǎn)生原因：當設置了偏心觀測，如覘標擋住了視線或視線中有障礙物。這時需要對偏心觀測的邊長加歸心改正。（距離歸心改正）4.歸心改正

圖A、B為測線兩端點標石中心；A’、B’為主機和反光鏡中心。偏心距e、偏心角類同前述方向歸心元素。產(chǎn)生原因：當設置了偏心觀測，如覘標擋住了視線或視線中有障礙物如何將測距儀距離D'，化至標石中心的距離D？計算公式為：如何將測距儀距離D'，化至標石中心的距離D？計算公式為：5.周期誤差改正

周期誤差——儀器內(nèi)部信號串擾引起的以距離為周期重復出現(xiàn)的誤差。改正公式：字母順序：周期誤差的振幅，周期誤差的初始相位角，距離觀測值，精測調(diào)制波長。當測距精度要求較高，應加周期誤差改正。5.周期誤差改正周期誤差——儀器內(nèi)部信號串擾引起的以距離6、傾斜距離D歸算到參考橢球面弧長S計算公式式中：D為斜距，h為兩點高差，Hm為兩點高程平均值，RA為A點處橢球平均曲率半徑。（用于10km內(nèi)距離化算）7、參考橢球面上距離投影到高斯平面上的改正式中，ym為A、B兩點高斯平面y坐標的平均值，R同上RA。6、傾斜距離D歸算到參考橢球面弧長S計算公式261）測距的主要誤差來源5.7.4測距的誤差來源和精度表達式相位測距誤差可以分為兩大類：固定誤差和比例誤差。固定誤差：與距離長短無關(guān)誤差，如測定相位移的誤差、儀器常數(shù)誤差、反射器的對中誤差、測距儀對中誤差以及周期誤差等。比例誤差：與距離成比例的誤差，如測尺頻率誤差、真空光速值誤差以及大氣折射率的誤差等。1）測距的主要誤差來源5.7.4測距的誤差來源和精度表達2）測距的精度表達式光電測距的精度表達式一般為：式中