测量学基础：第四章 距离测量2

第二讲 电磁波测距Electromagnetic Distance Measurement（EDM）距 离 测 量1内容提要v电磁波测距原理电磁波测距原理v电磁波测距工具及使用电磁波测距工具及使用v电磁波测距的成果计算电磁波测距的成果计算v全站仪简介与使用全站仪简介与使用2钢卷尺测距的优缺点v优点优点 直观，工具简单，成本低，使用灵活。直观，工具简单，成本低，使用灵活。v缺点缺点 测量精度较低测量精度较低(cm(cmmmmm级级,1/2000 1/20001/21/25000)5000)，直线，直线定线和量距工作量大，效率低，受地形条件限制较大，在长定线和量距工作量大，效率低，受地形条件限制较大，在长距离测量中难以开展。距离测量中难以开展。3更好的办法？距离测量的本质：沿两点连线的直线方向与已知长度距离测量的本质：沿两点连线的直线方向与已知长度（尺子）的比较（比长）。（尺子）的比较（比长）。沿直线传播？沿直线传播？尺长已知？尺长已知？快速？快速？4电磁波电磁波按照波长长短，从长波开始，电磁波可以分为电能、按照波长长短，从长波开始，电磁波可以分为电能、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X X射线和伽马射线和伽马射线等。射线等。电磁波谱5电磁波测距基本原理6tcS21电磁波测距历史v 19491949年，瑞典的年，瑞典的Erik BergstrandErik Bergstrand博士研制出了世界第一博士研制出了世界第一台微波测距仪台微波测距仪 Geodimeter Geodimeter（10/25km10/25km）。）。7电磁波测距历史v 19571957年，南非的年，南非的T.L.WadleyT.L.Wadley博士采用博士采用X X波段电磁波设计波段电磁波设计了测程可达了测程可达50Km50Km的的Telluometer Telluometer。8工程测量用的电磁波测距仪v 低频波衰减严重，高频波相位量测不准确，因此一般电磁低频波衰减严重，高频波相位量测不准确，因此一般电磁波测距仪多使用无线电波、微波、红外光波测距仪多使用无线电波、微波、红外光(IR)(IR)。9测距仪的分类v按最大测程分按最大测程分短程：短程：3 3kmkm以内；以内；中程：中程：3 31515kmkm远程：远程：1515100100kmkm；超远程：超远程：100100kmkmv按时间测量方式分按时间测量方式分脉冲式，以激光作光源脉冲式，以激光作光源相位式，以红外光作光源相位式，以红外光作光源10脉冲式测距 通过通过光脉冲光脉冲触发计时器开启和关闭的方式，测量光脉触发计时器开启和关闭的方式，测量光脉冲在所测距离上往返冲在所测距离上往返时标脉冲时标脉冲的个数，进而确定光脉冲的的个数，进而确定光脉冲的传播时间。传播时间。D=n /2=n c/(2 f)脉冲式测距 由于时标振荡器频率的限制由于时标振荡器频率的限制(300MHz)(300MHz)，以及脉冲起始边，以及脉冲起始边缘时间误差缘时间误差TaTa和终止边缘时间误差和终止边缘时间误差TbTb难以直接测量得到，因难以直接测量得到，因此脉冲式测距仪很难达到此脉冲式测距仪很难达到mmmm以上的距离测量精度。以上的距离测量精度。相位式测距 相位法测距通过测量连续的光波，在待测距离上相位法测距通过测量连续的光波，在待测距离上往返往返传播所产生的相位变化，来间接测定传播时间，从而求得传播所产生的相位变化，来间接测定传播时间，从而求得被测距离。被测距离。2222NNCTTNTCCtD22ND是是余余尺尺长长称称为为光光尺尺长长，而而222相位式测距AmplitudeAmplitude+r+r-r-r0 09090180180270270 360360v 相位的测量：波曲线上任何一个点处的切线方向与波的传相位的测量：波曲线上任何一个点处的切线方向与波的传播方向之间的夹角，通过播方向之间的夹角，通过相位计相位计测量。如果相位角测量分测量。如果相位角测量分辨率为辨率为1 1度，波长为度，波长为1m1m，测距分辨率就可以达到：，测距分辨率就可以达到：1m1m1 1度度/360/360度度0.003m0.003m。相位式测距v 这种电磁波测距仪的振荡器频率只需要达到这种电磁波测距仪的振荡器频率只需要达到1010100Mhz100Mhz，电磁波发射装置容易制造；电磁波发射装置容易制造；v 相位角测量精度一般可以达到分辨率的相位角测量精度一般可以达到分辨率的1/10001/1000 ，相位计的，相位计的分辨率分辨率1010度即可满足要求；度即可满足要求；因此相位式测距仪生产成本较低，而测距精度较高，使因此相位式测距仪生产成本较低，而测距精度较高，使用范围较广。用范围较广。还有哪些没有解决的问题？v第一个问题：第一个问题：整波个数整波个数N N未知，距离不能确定。未知，距离不能确定。相位计只能测量相位计只能测量发射时刻发射时刻、接收时刻接收时刻的相位，不能对的相位，不能对传播过程中的整波个数计数。传播过程中的整波个数计数。解决方法：解决方法：从认知习惯方面考虑，认识事物从粗略到准确从认知习惯方面考虑，认识事物从粗略到准确的过程。的过程。22ND时间的多尺度组合 时间：时间：3:12:11 3:12:11v 时针时针走得最慢，测大走得最慢，测大数（小时）数（小时）v 分针分针走得较快，测相走得较快，测相对小的数（分）对小的数（分）v 秒针秒针走得最快，测最走得最快，测最小的数（秒）小的数（秒）距离的多频率组合v L=(mL=(m3 3+p+p3 3)3 3v L=(mL=(m2 2+p+p2 2)2 2v L=(mL=(m1 1+p+p1 1)1 11 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212p p1 1 1 1A AB BL L 2 2p p2 2p p3 3 3 3 =1000.000m1000.000m，p p3 3=0.0125=0.0125 2 2 =100.000m=100.000m，p p2 2=0.2620=0.2620 1 1=10.000m,p=10.000m,p1 1=0.2562=0.2562距离的多频率组合 m m3 3=0=0 L=(m L=(m3 3+p+p3 3)3 3=(0+0.1250)x1000.000=(0+0.1250)x1000.000=125125.000m.000m m m2 2=125/=125/2 2 =125/100=1=125/100=1 L=(1+0.2620)x100.000=L=(1+0.2620)x100.000=126.2126.200m00m m m1 1=126.2/=126.2/1 1=126.2/10=12=126.2/10=12 L=(12+0.2562)x10=L=(12+0.2562)x10=122.562m122.562m 还有哪些没有解决的问题？v第二个问题：第二个问题：波长波长是一个固定的值吗？是一个固定的值吗？波长波长=c/f=c/f，c c是否是一个固定的值是否是一个固定的值？f f 固定固定？22ND还有哪些没有解决的问题？c=cc=c0 0/n,n/n,n 折射率，与介质的折射率，与介质的密度密度有关，密度与有关，密度与温度、温度、气压、湿度气压、湿度等气象参数相关，建立波长与这些影响因素之间等气象参数相关，建立波长与这些影响因素之间的函数关系，即可以对电磁波距离测量值施加气象数改正。的函数关系，即可以对电磁波距离测量值施加气象数改正。如某种测距仪的气象改正公式（由厂家提供）如某种测距仪的气象改正公式（由厂家提供）StpD)00366.0129065.08.281(还有哪些没有解决的问题？f f可能产生少量的偏移，可能产生少量的偏移，100MHz100MHz10Hz10Hz。长距离测量时使用频率计直接测量电磁波的频率，成本长距离测量时使用频率计直接测量电磁波的频率，成本较高；较高；短距离与已知距离比较，给出改正数。短距离与已知距离比较，给出改正数。电磁波测距工具组合式23测距头测距头光学经纬仪光学经纬仪功能键盘功能键盘电缆电缆电池电池发发射射与接与接收轴收轴液晶显液晶显示器示器望远镜视准轴望远镜视准轴电磁波测距工具全站式24视准轴视准轴、发发射射轴与轴与接收轴三接收轴三轴同轴轴同轴电磁波测距工具电磁波测距工具电磁波测距工具v温度计温度计v气压计气压计v湿度计湿度计v对讲机对讲机测距仪的使用 测量学中使用的测距仪，测量学中使用的测距仪，一般都要跟经纬仪配合使用。一般都要跟经纬仪配合使用。（1 1）经纬仪的对中、整平，）经纬仪的对中、整平，安装测距仪；安装测距仪；（2 2）记录气压和温度；）记录气压和温度；（3 3）测距并记录竖直角。）测距并记录竖直角。29电磁波测距误差分析KNnfCD22222222222222222222224AKnfCDKnfCDmmmDnmfmCmmmKDmDmnDmfDmCDm根据误差传播定律：根据误差传播定律：比例误差部分比例误差部分固定误差部分，固定误差部分，习惯用，习惯用BABDAmbDamDD22 对固定误差的改正，称为对固定误差的改正，称为加常数改正加常数改正。对比例误差的。对比例误差的改正，称为改正，称为乘常数改正乘常数改正。加常数 测距仪的竖轴中心与电磁波发射和接收的等效面不一致测距仪的竖轴中心与电磁波发射和接收的等效面不一致（仪器偏移常数）；反射棱镜的竖轴中心与等效反射面不一（仪器偏移常数）；反射棱镜的竖轴中心与等效反射面不一致致(棱镜常数棱镜常数)。仪器的加常数改正值与距离大小无关。仪器的加常数改正值与距离大小无关。乘常数 乘常数包括两项内容，一是由调制频率偏离设计值引乘常数包括两项内容，一是由调制频率偏离设计值引起的误差改正；二是由气象条件引起的误差改正。起的误差改正；二是由气象条件引起的误差改正。DRDffRfffRStpD)00366.0129065.08.281(测距成果的整理测距仪测量得到的直接结果是测距仪测量得到的直接结果是倾斜距离倾斜距离，并且含有多，并且含有多项误差因素的影响，为了得到两点之间真实的项误差因素的影响，为了得到两点之间真实的水平距离水平距离或或者大地水准面上的者大地水准面上的弧长距离弧长距离，需要经过多项改正计算。，需要经过多项改正计算。1.1.气象改正气象改正2.2.加常数改正加常数改正3.3.乘常数改正乘常数改正4.4.倾斜改正倾斜改正SAB实例v全站仪型号全站仪型号TC1610,TC1610,S S=1578.567m,=1578.567m,p p=910=910(百帕百帕),t t=25=25C,C,=+15=+1530300000;a a=+2=+2mmmm,b b=+2.5=+2.5ppmppm。水平距离水平距离=?SAB每公里改正数1mm，称为1ppmv气象改正气象改正v加常数与乘常数改正加常数与乘常数改正mm 3.62)00366.0129065.08.281(1StpD mm22Dmm 9.3578.15.23SbD求解v改正后的斜距改正后的斜距vABAB点间水平距离点间水平距离m 1578.6350.00390.0020.0623 567.1578321DDDSSm 221.1521)000315cos(635.1578cos SD求解全站仪全站仪是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存全站仪是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储等单元组成的三维坐标测量系统，是能自动显示测量结果储等单元组成的三维坐标测量系统，是能自动显示测量结果并与外围设备交换信息的多功能测量仪器。由于仪器较完善并与外围设备交换信息的多功能测量仪器。由于仪器较完善地实现了测量和处理过程的一体化，通常称之为地实现了测量和处理过程的一体化，通常称之为全站型电子全站型电子速测仪速测仪（Electronic Total StationElectronic Total Station），简称全站仪。），简称全站仪。全站仪组成 显示器显示器键键 盘盘只读存储器只读存储器随机存储器随机存储器输入输入/输出输出I/OI/O单元单元微微处处理理器器水平角测量单元水平角测量单元垂直角测量单元垂直角测量单元距离测量单元距离测量单元自动补偿单元自动补偿单元光电测量系统光电测量系统微处理器及软件微处理器及软件全站仪的优点全站仪的优点u 因三轴合一，仪器结构更紧凑因三轴合一，仪器结构更紧凑u 测距、测角结果自动显示测距、测角结果自动显示u 仪器操作简便仪器操作简便u 内置微处理器和相关软件包，通过全站仪的操作键盘内置微处理器和相关软件包，通过全站仪的操作键盘完成相关计算，如相关改正、水平距离计算、高差计算、完成相关计算，如相关改正、水平距离计算、高差计算、三维坐标计算等三维坐标计算等u 可与计算机通讯、进行数据传输可与计算机通讯、进行数据传输全站仪 全站仪 全站仪 全站仪 南方全站仪的使用-以NTS-660系列为例南方全站仪的使用-仪器各部件名称及其功能南方全站仪的使用-面板介绍南方全站仪的使用南方全站仪的使用键功能键功能棱镜常数 大部分棱镜都是通用的，与仪器无关。棱镜的常数可大部分棱镜都是通用的，与仪器无关。棱镜的常数可在棱镜框上面看到，国产棱镜两种常数，一种是在棱镜框上面看到，国产棱镜两种常数，一种是0 OFFSET0 OFFSET，即常数输入即常数输入0 0，还有一种是，还有一种是30 OFFSET30 OFFSET，即常数输入，即常数输入-30mm-30mm。南方全站仪的使用菜单简介常用测量程序常用测量程序进入常规测量模式进入常规测量模式数据存储管理数据存储管理数据的下载与上传数据的下载与上传仪器检验与校正仪器检验与校正仪器参数设置仪器参数设置南方全站仪的使用-显示模式南方全站仪的使用-显示模式南方全站仪的使用-显示模式南方全站仪的使用-程序功能南方全站仪的使用-程序功能南方全站仪的使用-程序功能作业v铁道工程测量铁道工程测量 P66P66，第，第1212、1313题。题。v特别提醒，看清楚乘常数的数值单位。特别提醒，看清楚乘常数的数值单位。55实习9 全站仪的认识实习内容：实习内容：1.1.全站仪的对中和整平，棱镜支架的对中和整平。全站仪的对中和整平，棱镜支架的对中和整平。2.2.熟悉全站仪各部分的名称及作用。熟悉全站仪各部分的名称及作用。3.3.掌握温度和气压、棱镜常数等参数的输入。掌握温度和气压、棱镜常数等参数的输入。4.4.角度、距离测量模式的切换。角度、距离测量模式的切换。注意：注意：1.1.每组领取一台仪器，每组领取一台仪器，2 2个脚架，个脚架，1 1个棱镜支架，个棱镜支架，2 2套套棱镜。仪器配件较多，棱镜。仪器配件较多，4 4人一组人一组，请预先分好组。，请预先分好组。2.2.此次实习内容将在最后一次的导线实现中使用，此次实习内容将在最后一次的导线实现中使用，请予以重视。请予以重视。