精密距离测量课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,本章重点,中程相位式测距仪的基本结构和测距原理,测距仪的检验以及测距成果的整理计算,电子全站仪的认识与使用,距离测量方式及其原理,一、长度基准,所有距离的测定结果，必须用一种统一的、固定的长度单位来表示，这种统一的、固定的长度单位就是长度基准,1.,国际,长度基准,1875,年：通过巴黎的地球子午线的四千万分之一的长度为,1m,，其相对精度为千万分之一左右,1960,年：米等于氪,-86,原子的,2p10,和,5d5,能级间跃迁辐射真空波长的,1650763.73,倍的长度，其相对精度越十亿分之四,距离测量方式及其原理,1983,年：米是光在真空中在,1/299792458,秒的时间间隔内所经过的距离；它把真空中的光速值作为一个固定不变的基本物理常数，长度测量可通过时间或频率测量间接导出，从而把长度单位和时间单位结合起来,2.,我国的长度基准,目前，氪,-86,长度基准和氦氖激光长度基准是我国两项最高长度基准，它们的极限误差分别为,110-8,和,410-9,距离测量方式及其原理,二、距离测量的方式,1.,因瓦基线尺量距,丈量基线是在较为平坦的地面上，用因瓦基线尺一尺接一尺地悬空丈量两点的基线长度。丈量时，尺的两端应施加一定的拉力，丈量的结果中加上相应的尺长改正、温度改正、悬链线改正等改正之后，能够达到几十万分之一到一百万分之一的相对精度,为了得到平距，还要测两点间高差,缺点：要求条件高（平坦地面），作业麻烦,距离测量方式及其原理,2.,光电干涉测距,以,1m,石英标准杆尺为基准，将光源分成两路，一路在,1m,基准长度上多次倍乘反射，另外一路拉长距离，根据两路返回光所产生的光干涉条纹，将,1m,基线长度倍乘若干倍，从而获得新的已知更长的基准长度，并按同样的方法倍乘，达到精密测距的目的,距离测量方式及其原理,3.,电磁波测距,包括：红外测距技术、微波测距技术、激光测距技术等,1.,电磁波测距原理,通过测定电磁波波束在待测距离上往返传播的时间,t,，进而确定待测距离,D,D=,ct,c,是电磁波在大气中的传播速度,距离测量方式及其原理,2.,两种测距方式,根据测定电磁波往返传播时间,t,的不同方式,直接测定,t,求得距离的方式称为,脉冲式测距,，其优点为测程远，缺点为精度有限,间接测定,t,求得距离的方式称为,相位式测距,，其优点是测距精度高，缺点是测程不如脉冲式测距远,3.,相位式测距仪的分类,按测程分类：短程测距仪,(15km),距离测量方式及其原理,按测距精度,:,级,mD5mm,；,级,5mmmD10mm,；,级,10mmmD20mm,按载波：光电测距仪；微波测距仪,在电磁波测距仪中，利用光波运载测距信号进行距离测量，称为光电测距仪，按照使用光源的不同，分为：普通光源、激光、红外测距仪,距离测量方式及其原理,三、相位式测距原理,1.,测距基本原理,现有的精密光电测距仪都不采用直接测时的方法，而采用间接测时，即用测定相位的方法来测定距离，此类仪器称为,相位式测距仪,。它是用一种连续波（精密光波测距仪采用光波）作为“运输工具”（称为载波），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。测距时，通过测量调制波在待测距离上往返传播所产生的相位变化，间接地确定传播时间,t,，进而求得待测距离,D,距离测量方式及其原理,距离测量方式及其原理,距离测量方式及其原理,2.N,值确定的方法,直接测尺频率方式,在红外测距仪中，大多采用直接测尺频率的方式。它是在仪器中设置,2,个或,3,个固定不变的测距频率，其一为“高频”，又叫精测频率，其余为“低频”，又叫粗测频率。利用这些固定频率测距直接确定,N,值，例如设置如下两个测距频率,距离测量方式及其原理,精测光尺保证了测距精度，粗测光尺保证了必要的测程,距离测量方式及其原理,间接测尺频率方式,上述各直接测尺频率彼此相差较大，测程愈长时，精、粗测尺频率相差更悬殊，这使电路中放大器的增益和相对稳定性难于一致。所以，在一些远程的激光测距仪中改用一组数值上比较接近的测尺频率。利用其差频频率作为粗测频率，间接确定,N,值，从而得到与直接测尺频率方式相同的效果,距离测量方式及其原理,距离测量方式及其原理,距离测量方式及其原理,从上表可看出，这种方式中各测尺频率的最大差值只有,1.5MHz,，这样不仅放大器能对各频率获得相近的增益，调制器对各频率的相移也比较稳定，而且各频率石英晶体的类型也可以同一，故而在远程激光测距仪中，间接测尺频率方式有着广泛的应用,测距仪简介,一、测距仪的构成,1.,照准头,2.,控制器,3.,电源,4.,反射器,5.,其他附件,二、,DCJA5,型红外测距仪,三、,DI20,型测距仪,电子全站仪简介,电子全站仪是一种可以同时进行角度（水平角、垂直角）测量和距离（斜距、平距、高差）测量、由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。由于只要一次安置，仪器便可以完成在该测站上所有的测量工作，故被称为“全站仪”。,全站仪：,Total-station,电子全站仪简介,同时进行角度测量,(,水平角、竖直角,),和距离测量,(,斜距、平距、高差,),测距系统光轴与测角系统视准轴同轴,显示测点的角度,(,方向值,),、距离、高差或三维坐标,拥有后方交会、放样、偏心等高级测量功能,电子全站仪简介,拥有较大容量的内部存储器，以数据文件形式存储已知点和观测点的点号、编码、三维坐标；,实现全站仪与计算机的数据通讯,高精度全站仪测角达,0.5,秒级，测距精度达,(1+1ppm),与计算机联合组成的智能观测系统已面市,电子全站仪简介,电子全站仪简介,电子全站仪,S,ET2000,外形图,光电测距误差分析,光电测距误差分析,光电测距误差分析,光电测距误差分析,测距各类误差分析,一、比例误差,1.,真空中光速误差,它对测距误差的影响可以忽略不计,2.,大气折射率误差,大气折射率是由空气的密度及大气内所含的水分所决定的,实际作业时的注意事项（,P104,）,3.,调制频率误差,光电测距误差分析,二、固定误差,固定误差通常都具有一定的数值，与测程无关。测程较长时，比例误差占主要地位；测程较短时，固定误差可能占主要地位。,1.,相位差的测定误差（测相误差）,测相设备本身的误差。测定几组读数取其平均值，就可以减小测相误差的影响,相幅误差,照准误差,光电测距误差分析,2.,仪器加常数误差,测距仪在已知长度的基线上检测时，已知的基线长度与实测结果之间存在着一个固定不变的常数，称为仪器加常数,加常数是由于测距仪内、外光路所测相位差不一定等于光在两倍距离上所产生的相位移而造成的,3.,对中误差,光电测距误差分析,三、周期误差,为了减小周期误差的影响，在制造仪器时应加强屏蔽，尽量减小仪器内部的信号串扰；在使用仪器时，应尽量避免用弱信号测距，避免其它外部杂乱信号的串扰,影响测距精度的因素很多，其中比较主要的是调制频率误差、照准误差、仪器常数误差、周期误差。通过调整仪器、加改正数等方法，可以将它们控制在允许范围之内,光电测距仪的检定,一、测距仪的检视,二、发射、接收、照准三轴关系正确性的检验与校正,三、内部符合精度的检定,四、精测频率的检定,五、周期误差的检定,六、仪器常数的检定,七、综合精度的检定,测距的作业要求,1,、测距边的选设,几条注意事项,2,、测距作业技术规定,对于不同等级的平面控制测量，应根据技术要求选用相应等级的测距仪,3,、测距作业中的注意事项,选择良好的观测条件；当外界条件恶劣时，应停止观测,观测前按要求设置好气压计和温度计,测距的作业要求,测距前，应先检查电池的电压是否符合要求，要使仪器各个部件达到正常稳定的工作状态时方可正式作业,测距时，应按仪器性能和测程范围使用规定的棱镜个数,在晴天作业时测距仪和反射镜均需打伞,观测人员应严格按照仪器说明书规定的操作程序进行作业,距离观测值的改正计算,将野外观测值加入各项改正数，是为了将直接观测值换算为仪器中心至反射镜中心的斜距，主要有以下几项改正：,1,、气象改正,仪器上显示的距离是设计气象条件下的距离，为了求得实际气象条件下的距离，就必须在观测值中加入气象改正,现代的红外测距仪，一般都有自动气象改正装置。如果条件不允许时，则需按照仪器说明书提供的公式计算气象改正数值,距离观测值的改正计算,2,、周期误差改正,3,、仪器常数改正,4,、频率改正,测距成果的换算,主要有如下三个方面：,一、归心改正,二、斜距化平距,三、平距化椭球面距离,归心改正,控制测量的一切成果都是以标石中心为准的,在距离测量中，由于种种原因，仪器中心或反射棱镜中心未必严格和标石中心对中，这样就需要进行偏心观测,将偏心观测的距离换算成标石中心之间距离所加的改正数称为归心改正数,归心改正,归心改正,归心改正量,斜距化平距,光点测距结果是两标石中心间直线距离,大地测量计算中需要的距离是两标石中心沿法线方向所对应的椭球面上两点在椭球面上的最短距离（大地线长度）,在实际控制测量中，两点间距通常不会超过,10km,，这与地球椭球曲率半径相比较而言是一个十分微小的量，所以可以把这一部分椭球面视为一个圆球面,待求距离即为圆球面上两点的弧长,斜距化平距,归化步骤：,将两点间斜距归化为某一高程面上的水平距离（实际中往往选择两点间的平均高程面）,将平均高程面上两点间的平距归化为圆球面上两点间的弦长,由两点间弦长计算两点间弧长,斜距化平距,斜距化平距,P,斜距化平距,由平距化弦长,由弦长化弧长,由弦长化弧长,电磁波测距结果应用探讨,对于精度要求不是很高的日常测量工作，可以直接采用由斜边的倾角（竖直角）或两端点的高差所计算的平距，既不需要对它作高程归化，也不需要作高斯投影改正,如果边长精度要求较高，则须先将斜距归算为平均高程面上的平距，在将平距归算成椭球面（圆球面）上的大地线长度（弧长），最后再作高斯投影改化,电磁波测距结果应用探讨,在地形起伏较大的地区，测距边两端点的高差较大时，尤其须要提高高差的测量精度，以保证斜距化平距的精度,在通常情况下，边长高程归化项分母,R,一般采用地球平均曲率半径值,6370km,，以满足应用的需要,对于面积较小的局部地区而言，将椭球面进一步简化为圆球面进行计算，也是合理的,