桥隧选修3精密距离测量.ppt

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1、光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 1精 密 距 离 测 量桥隧控制测量光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 2本章内容光电测距的原理扩展光电测距仪检验：加乘、周期等精密测距注意事项光电测距的成果处理流程光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 3ABD测距基本原理光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 43.1电磁波测距仪分类1、按测定t的方法(l)脉冲式测距仪。直接测定仪器发出的脉冲信号往

2、返于被测距离的传播时间，进而求得距离值的一类测距仪。(2)相位式测距仪。测定仪器发射的测距信号往返于被测距离的滞后相位来间接推算信号的传播时间，从而求得所测距离的一类测距仪。2、按测程分（1）长程光电测距仪：（15KM)，国家三角网及特级导线。（2）中程光电测距仪:（315KM），通常用于一般等级控制测量。（3）短程光电测距仪：（3KM），工测用途。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 53、按载波源分（1）微波测距仪(microwaveEDMinstrument)：用微波段的无线电波作为载波的（远程）；（2）激光测距仪(laserEDMin

3、strument)：用激光作为载波（远程）；（3）红外测距仪(infraredEDMinstrument)：用红外光作为载波（中、短程），一般取0.850.93m。、都是光波，统称为光电测距仪。微波和激光测距仪，测程可达60km，多用于大地测量；红外测距仪属于中、短程测距仪(测程为15km以下)，多用于小地区控制测量、地形测量、地籍测量和工程测量等。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 64、按载波数分5、按反射目标分6、按精度分按 单 位 公 里 测 距 中 误 差 划 分 为 级（即mD=A+B D，当D=1km时）：级：mD 5mm；级

4、：5mmmD10mm；级：10mmmD20mm。A：固定误差，以mm为单位B：比例误差系数，以mm/km为单位 D：测距边长，以km为单位光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 73.2脉冲法测距的基本原理及应用脉冲法测距的基本原理光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 8脉冲法测距对光脉冲的要求1、具有足够的强度为了测出较远的距离，并达到一定的精度。2、具有良好的方向性能量可以集中在较小的立体角内，还可准确地判断目标的方位。3、具有良好的单色性若单色性不好，空中杂散光和测距的光信号一并进入测距

5、仪的接收系统，将使测距无法进行。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 94、具有很窄的脉冲宽度避免反射回来的光和发射出去的光重叠起来，不能测距。光脉冲的宽度要远小于万分之一秒才能进行正常测距工作。若测定更近的距离，光脉冲的宽度还要更窄。激光巨脉冲光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 103.3相位法测距的基本原理及应用光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 11相位式测距仪计算距离的基本公式光电测距 光电测距7 78 89 910 106 6

6、5 54 43 32 21 1/29 12精测和粗测数据的正确组合由于噪音的影响、高频电路的干扰、测相电路本身的缺陷等原因，相位式测距仪采用一组测尺频率(精测频率和粗测频率)对同一距离进行检相测量时，使测相带有一定的误差，造成精测和粗测数据组合时可能在十米位发生差错。例如：为了避免这样的差错，可采用“置中值运算”方法。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 133.4光波测距仪的检验新购置或经过修理的测距仪，在使用之前，一般要进行全面检验，其项目主要有:功能检视:查看仪器各组成部分的功能是否正常。三轴关系正确性的检校:对于同轴系统，则检验其一致

7、性;对异轴系统，则检验其平行性。发光管相位均匀性(照准误差)的测定。幅相误差的测定。周期误差的测定。加常数的测定。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 14乘常数(包括晶振频率)的测定。内部、外部符合精度的检验。适应性能的检测:主要检测温度变化，工作电压变化对测距成果的影响。测程的检测。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 15l 附加相移随距离(与距离有关)的不同而按正弦曲线规律变化，其周期为2。即由于串扰信号引起的周期误差的周期为2（等于精测尺长度)。l 与K值有关，K值愈大，也愈大。因

8、此为了减小K值，必须加大测距信号强度，才能有利于减小周期误差。一、周期误差的测定周期误差是指按一定的距离为周期重复出现的误差。周期误差主要来源于仪器内部固定的串扰信号。一般地说，周期误差的周期取决于精测尺长。1、什么是周期误差光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 16周期误差改正数：光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 172.周期误差的测定方法-“平台法”1)观测2)计算3)精度评定光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 18二、仪器常数的

9、测定1.什么是仪器常数仪器常数包括仪器加常数和乘常数。加常数是由于仪器电子中心与其机械中心不重合而形成的一个计算改正数的常数值;1）加常数仪器加常数包含仪器加常数(Ki)和反光镜常数(Kr)。在测距仪调试中，常通过电子线路补偿，使Ki=0，但不可能严格为零，即存在剩余值，所以又称为剩余加常数。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 192）乘常数乘常数，就是当测距频率偏离其标准值而引起一个计算改正数的乘系数，也称比例因子。用小型频率计，直接测定f实，进而求得f，对于求得乘常数改正就方便了。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65

10、54 43 32 21 1/29 202.用六段解析法测定加常数1）基本原理六段解析法是一种不需要预先知道测线的精确长度而采用电磁波测距仪本身的测量成果，通过平差计一算求定加常数的方法。设置一条直线(其长度几百米至几千米)，将其分为d1，d2，dn等n个线段。经观测得到D及各分段di的长度后，则可算出加常数K。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 21六段法的来历：一般要求加常数的测定中误差mk应不大于该仪器测距中误差md的50%，即mK 0.5md，代入式(4-57)，算得n=6.5，所以要求分成67段，一般取6段。光电测距 光电测距7 7

11、8 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 222）加常数K的计算 在六段法中，为提高测距精度，采用全组合观测法，此时共需观测21个距离值。点号一般取0,1,2,3,4,5,6，则需测定的距离如下:为了全面检查仪器的性能，最好将21个被测量的长度大致均匀分布于仪器的最佳测程以内。3）具体作业步骤以6个独立分段的距离改正数及加常数K作为未知数，通过平差计算就可以求出6段距离的平差值和加常数K。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 233.5电磁波在大气中的传播一、一般概念l 大气对电磁波测距的影响，主要表现在两方面：1、使

12、大气中电磁波传播速度小于真空中的传播速度，扩大了在一定距离内的传播时间；2、由于大气折射影响，使电磁波传播的波道弯曲，使距离测得过长。l 计算电磁波测量的距离，不能用真空中的光速值c0=299792.458km/s，必须用实际光速值。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 24l 大气衰减主要影响测距仪测程的减少。信号强度的衰减随辐射波长的减少而巨增，因此可见光谱中的波的衰减特别厉害，波长大于10cm的波，衰减得特别小。l 波参数如振幅（强度）、相位、频率、偏振性、波及波束横断面的传播方向等的随机变化是大气湍流影响的结果，也就是在波的传播路程上

13、空气密度不均匀的随机变化的结果。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 25l大气湍流是由空气对流而形成的许许多多的涡流形成的；每一个小涡流又与其速度、温度、折射率及其他因素密切相关。因而由大气湍流形成的大气场是个不平稳、不均匀、随机变化着的折射场。大气湍流使得电磁波的各种参数、都发生随机变化，其结果是使得进人接收机的噪声功率的光谱密度扩大，因而降低信/噪比值。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 26解决大气湍流问题的一个最好手段，就是选择有利观测时间湍流现象发生最小的时间。（在一般情况下，

14、日出后一小时和日落前一小时可能是这样的有利观测时间）。n 在近地(12km内)对流层进行测量时，湍流影响更为厉害，这个对流层内的时、空随机变化着的折射场受空气压力、温度及湿度等因素制约着，它们都随高度增加而减少。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 27二、电磁波的大气衰减l电磁波在大气中传播时强度的衰减主要有两种原因：1、大气气体分子的吸收;2、大气密度的变化及空中微粒的散射。l电磁波强度衰减与大气透射率、传播距离及波长等有关。强度的衰减按布格(Bouguer)公式计算:光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 3

15、2 21 1/29 28三、电磁波的传播速度大气折射率是表示大气实际介质性质的气体成分、温度、压力、湿度以及波长等的函数1.大气折射率u 对于无线电微波，在1112km内的对流层空间里，大气实际上是非色散介质，因此相速度和群速度是一致的;u 对于光波，大气是色散介质，相速度和群速度二者不一样。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 292.光波的折射率光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 30可知：测量温度1的误差可引起折射率n，亦即距离有1 ppm的误差;测量气压1.0mb的误差可引起折射率

16、n，亦即距离有0.3ppm的误差;测量湿度1.0mb的误差可引起折射率n，亦即距离有0.04ppm的误差。为保证折射率测定的必要精度，精确测定温度是关键。应至少在测站两端点测量温度，分别计算折射率再取平均值，尽管如此，折射率平均值也不会优于1 ppm，除非应用特殊的设备和手段。对于湿度的影响也不可忽略。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 313.微波的折射率无线电微波的大气色散等于0，故在每点上的微波折射率仅是气象元素T，p,e的函数。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 32测定气温1的

17、误差，可引起折射率n，亦即距离有1.4ppm的误差;测定气压lmb的误差，可引起折射率n，亦即距离有0.3ppm的误差;测定水汽压lmb的误差，可引起折射率n，亦即距离有2.6ppm的误差。在测定微波折射率时，关键性的参数是水汽分压的测定，水汽压对微波折射率的影响是光波的100倍。所以，与光波测距不同，在微波测距中必须沿整条测线十分精确地测定湿度。即便是这样，使nM好于3ppm的精度也是很困难的，所以微波测距精度一般都低于光波测距精度。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 332.大气参数的测定大气温度：用通风干湿计或遥测通风干湿计同湿度一起

18、测定。干、湿温的精度分别是0.2及0.1。温度计应放在阴凉、通风处，离地物(包括地面、物体及人)等1.5m之外，要十分注意免受人体热量的影响。大约每隔35min测定一次气象元素。温度计要按时检定，特别要注意零点差及刻画误差的检定和改正。大气参数测量的范围和精度，取决于测距仪的类型、内精度、测距精度以及距离的长短等。控制测量的电磁波测距，起码应在仪器站和反光镜站同时测定干温t、湿温t、气压P。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 34大气压：测量通常用精度高于lmb的高质量空盒气压计测量。测量时要注意应把气压计平放在阴凉处，安静一段时间后再读数

19、。注意测前、后对气压计的检定，对测量的气压值要加以温度、比例误差及零点差改正。大气湿度：测量通常都采用(遥测)通风干湿计。在测湿温时要注意棉球湿润后在认定读数达到平衡时再使用，并随时注意棉球的润湿以防干燥。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 35水汽压e计算：光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 36四、电磁波的波道弯曲 大气密度的不均匀性使得电磁波在大气中的传播波道不是一条直线而是一条曲线，为得到两测站点间的直线距离，必须确定电磁波传导波道的曲率半径。光电测距 光电测距7 78 89 9

20、10 106 65 54 43 32 21 1/29 373.6测距成果的归算 电磁波测距的长度值应化算为标石间的水平距离。电磁波测距的长度改正计算可分为三类：l仪器系统误差改正 包括加常数改正、乘常数改正、周期误差改正。l大气折射率变化所引起的改正l归算改正 主要有倾斜改正、归算到参考椭球面上的改正(简称为归算改正)、投影到高斯平面上的改正(简称为投影改正)。对于较长距离(例如l0km以上)，还要加入波道弯曲改正。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 38一、仪器系统误差改正3、周期误差改正1、加常数改正2、乘常数改正加常数与距离的长短无关

21、，即：加常数改正值=加常数K乘常数改正值=乘常数距离乘常数一般以mm/百米或mm/公里表示，光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 39二、速度改正（气象改正大气折射率变化引起的改正）1、第一次速度改正第一次速度改正公式由厂家根据具体仪器给出，如:第一次速度改正一般是采用仪站和镜站折射率的平均值,而不是采用全测线折射率积分的平均值，因此产生了折射率代表性误差，此项改正称为第二次速度改正。2.第二次速度改正光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 40（一）测距成果化算简单项目：加常数改正、乘常数改

22、正、气象改正、倾斜改正一般测距成果计算1加、乘常数改正 w加常数与距离的长短无关，即：加常数改正值=加常数本身 w乘常数一般以mm/百米或mm/公里表示，乘常数改正值=乘常数距离光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 412气象改正电磁波在大气中的传播速度 随气象条件变化而变化，仪器中只能按一个固定值计算测距值，因此应进行气象改正。不同的仪器给出的气象改正公式也不尽相同，一般在其使用说明书中给出。如：日本产TOPCON测距仪给出的气象改正公式为：Ka（279.66）10-6式中:p-大气压力（Pa）;t-大气温度()气象改正数Ka的计算公式中,

23、有的是按公里数(10-6)求出的,有的是按百米数(mm/百米)求出的。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 423倾斜改正 l改正后斜距化算为测站所在水平面上的距离；倾斜改正公式：DScos 式中：S-施加了气象改正、加、乘常数改正的斜距；竖直角。l考虑到地球曲率及大气折光的影响时,上式变为 DScosS2sincos式中：K-为大气折光系数，一般取为0.13；R-为地球半径。注意：上式所求为测站所在的水准面上的距离。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 43例题某台测距仪，测得AB两点的斜

24、距1578.567m，测量时的气压p121.323 kPa，t25C，竖直角153000；仪器加常数K2mm，乘常数R2.510-6，求AB的水平距离。其气象改正公式为：Ka（281.8）10-6解：1气象改正D1Kas(281.8)1.578 56762.3mm光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 442加常数改正 D22mm3乘常数改正D 32.51.5785673.9mm4改正后斜距 SSD1D 2D 31578.635 m5AB的水平距离DDScos1578.635cos15 3000 1521.221m光电测距 光电测距7 78 8

25、9 910 106 65 54 43 32 21 1/29 45三、几何改正几何改正的任务是将经过第一、第二次速度改正后的波道弧线长改化为椭球面上的弧长。P1、P2是两测站点；H1、H2为它们的大地高；R，r分别为地球及波道的曲率半径；、是相应地球、波道曲率半径之夹角；ud1是经第一、第二次速度改正后的弧长度；ud2是两测站间的直线斜距；d3是椭球面弦长；ud4是椭球面弧长。任务：d1d2d3d4。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 46利用测站点高程向椭球面上归算（一）分步法光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 4

26、3 32 21 1/29 47计算步骤简化 为计算方便，往往将第二次速度改正k、第一次弧弦改正（波道弧长改化为空中斜距）k1、第二次弦弧（椭球面弦长改化为椭球面弧长）改正k4合并在一起，亦即则，由观测值到椭球面弧长的改化过程为：1、第一次速度改正：2、空中斜距化为椭球面弦长：3、改化为椭球面弧长（加第二次速度改正、波道弧弦改正、椭球面弦弧改正）：例光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 48（二）一步法其中：光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 49四、投影改正 椭球面上P1P2的弧长d4可以

27、认为是椭球面这两点间大地线长度。按高斯投影法将它投影到高斯投影平面上，则成为P1、P2两点间的曲线长度d4。我们要求的是P1、P2两点间的直线距离S。由于平面上投影曲线和直线间夹角甚小，因此可以认为d4 S。即：将椭球面上的弧长投影到高斯平面上，得到高斯平面上两点间的直线长。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 50光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 51高斯投影面归算例光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 523.7光波测距的误差来源及

28、精度估计空中光速值测定中误差折射率求定中误差测距频率中误差相位测定中误差顾及周期误差的测定误差和仪器对中误差:相位法测距的基本公式：仪器中加常数测定中误差周期误差测定中误差对中误差一、测距误差来源光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 53测距误差分为两部分:与距离D成比例的误差、与距离无关的误差；周期误差有其特殊性，它与距离有关但不成比例。测距仪的精度表达式：比例误差的影响：大气折射率的误差影响正确测定测站和镜站上的气象元素，并使算得的大气折射系数与传播络径上的实际数值十分接近，可以大大地减少大气折射的误差影响，这对精密中、远程测距乃是十分重

29、要的。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 54光速值的误差影响光速值对测距误差的影响甚微，可以忽略不计。调制频率的误差影响 调制频率的误差，包括两个方面，即频率校正的误差（反映了频率的精确度）和频率的漂移误差（反映了频率稳定度）。频率误差影响在精密中远程测距中是不容忽视的，作业前后应及时进行频率检校，必要时还得确定晶体的温度偏频曲线，以便给以频率改正。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 55固定误差的影响：在精密的短程测距时，这类误差将处于突出的地位。对中误差 在控制测量中，一般要求对中

30、误差在3mm以下，但在精密短程测距时，由于精度要求高，必须采用强制归心方法，最大限度地削弱此项误差影响。仪器加常数误差经常对加常数进行及时检测，予以发现并改用新的加常数来避免这种影响。测相误差 包括测相设备本身的误差、幅相误差、照准误差、信噪比引起的误差等。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 56二、测距精度估计 衡量仪器的测距精度，一般注重两种指标：内部符合精度、外部符合精度。l内部符合精度：是指仪器对同一距离进行多次测定，其观测值之间的符合程度。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 5

31、7l外部符合精度：指用测距仪在基线上比测后，所得到的量测值与基线值比较而求得的精度指标。仪器出厂时，必须通过各项检验给出外部符合精度指标。如内部符合精度主要反映了仪器的测相误差以及外界大气条件的影响，而仪器的加常数、乘常数、周期误差、对中误差的影响是反映不出来的，因而算出的精度一般偏高。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 58估算测距中误差的方法1、用实测资料找出内部符合精度与外部符合精度(即测距中误差)之间的相依关系。2、根据测距的误差源推求测距精度的估算公式。测距仪出厂，其标称精度一般以m=(A+BD)形式给出。使用时可以在基线上用测距仪测出多组数据，并对观测值进行系统误差(加乘常数)改正，用改正后的量测值与相应的基线值作比较，用回归法求出A,B值。3、用回归法确定A,B值。光电测距 光电测距7 78 89 910 106 65 54 43 32 21 1/29 59习题1.电磁波测距仪表示标称精度的公式有哪些？2.为什么电磁波测距仪一般都采用两个以上的测尺频率？3.测距误差共有哪些？哪些属于比例误差？哪些属于固定误差4.用光电测距仪进行距离测量时，在测站上应对测得的倾斜距离加入哪些改正？