任務(wù)2-4精密測(cè)距

1、任務(wù)2-4精密測(cè)距任務(wù)2-4 精密測(cè)距一、電磁波測(cè)距隨著近代光學(xué)、電子學(xué)的發(fā)展和各種新穎光源的出現(xiàn)，物理測(cè)距技術(shù)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(cè)距儀。電磁波測(cè)距英文縮寫(xiě)為EDM，是利用電磁波作為測(cè)距信號(hào)和載波進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量的一門技術(shù)。電磁波的波譜包括：無(wú)線電波（含微波）、紅外光、可見(jiàn)光、紫外光、X射線和射線等。與鋼尺量距和視距法測(cè)距相比，電磁波測(cè)距具有測(cè)程遠(yuǎn)、精度高、作業(yè)快、受地形限制少等優(yōu)點(diǎn)。1.電磁波測(cè)距的基本原理電磁波測(cè)距是通過(guò)測(cè)定電磁波波束在待測(cè)距離上往返傳播的時(shí)間來(lái)確定待測(cè)距離的。如圖2-27所示，欲測(cè)量A、B兩點(diǎn)間的距離D，在A點(diǎn)安置電磁波測(cè)距儀主機(jī)，在B點(diǎn)

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

3、相位式測(cè)距。具體原理如下：1）脈沖式測(cè)距基本原理脈沖式測(cè)距就是由測(cè)距儀發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一種脈沖波，被目標(biāo)反射回來(lái)，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(shí)間t，或直接顯示距離。目前脈沖法測(cè)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(biāo)（如反射器），直接用被測(cè)目標(biāo)對(duì)光脈沖產(chǎn)生的漫反射進(jìn)行測(cè)距，在地形測(cè)量中可實(shí)現(xiàn)無(wú)人跑尺，從而減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。特別是在懸崖陡壁的地方進(jìn)行地形測(cè)量，這種儀器更具有實(shí)用意義。脈沖式測(cè)距的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)程遠(yuǎn)，功耗小，但由于脈沖寬度和計(jì)數(shù)器時(shí)間分辨能力的限制，直接測(cè)定時(shí)間一般達(dá)到10s-8s，相應(yīng)測(cè)距精度為1m5m，

4、精度較低。使其應(yīng)用于精密距離測(cè)量受到一定限制。近年來(lái)，脈沖法測(cè)距在技術(shù)上有了新進(jìn)展，精度指標(biāo)有新的突破，如人衛(wèi)激光測(cè)距儀和地月激光測(cè)距儀就屬于脈沖法測(cè)距儀?，F(xiàn)在已經(jīng)有多個(gè)廠家生產(chǎn)出了用于常規(guī)測(cè)量，精度達(dá)到2mm+(12)10-6D的脈沖式測(cè)距儀。2）相位式測(cè)距相位式測(cè)距是通過(guò)測(cè)量連續(xù)的調(diào)制光波在待測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位變化來(lái)間接測(cè)定傳播時(shí)間，從而求得被測(cè)距離。相位式測(cè)距與脈沖式測(cè)距相比較，主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)距精度高，一般可達(dá)12cm，所以相位式測(cè)距在精密距離測(cè)量中獲得廣泛應(yīng)用。二、電磁波測(cè)距儀1.測(cè)距儀的種類目前，由于電磁波測(cè)距儀的迅速發(fā)展和新產(chǎn)品的不斷問(wèn)世，電磁波測(cè)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(zhǎng)的電磁波在特性上有很大差異，所以電磁波測(cè)距儀按載波源的不同又分為激光測(cè)距儀、紅外測(cè)距儀、微波測(cè)距儀三類。其中激光測(cè)距儀與紅外測(cè)距儀又合稱光電測(cè)距儀。（2）按照測(cè)程的長(zhǎng)短可分為短程測(cè)距儀、中程測(cè)距儀和遠(yuǎn)程測(cè)距儀。短程光電測(cè)距儀：測(cè)程在3km以內(nèi)，測(cè)距精度一般在lcm左右。這種儀器可用來(lái)測(cè)量三等以下的三角鎖網(wǎng)的起始邊，以及相應(yīng)等級(jí)的精密導(dǎo)線和三邊網(wǎng)的邊長(zhǎng)，適用于工程測(cè)量和礦山測(cè)量。這類測(cè)程的儀器很多，如瑞士的ME3000，精度可達(dá)（0.2mm+0.5 10-6 ）；DM 502、 DI3S、DI4，瑞典的AGA-112、AGA-116，美國(guó)的HP3820A，英國(guó)的CD

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

7、距中誤差）可將測(cè)距儀分為、級(jí)。電磁波測(cè)距儀的標(biāo)稱精度常用下式表示：（2-26）式中：MD為測(cè)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(diǎn)間的水平距離，單位為mm。當(dāng)D為1千米時(shí)，則MD為1千米的測(cè)距中誤差。按此指標(biāo)，將測(cè)距儀化分為、級(jí)，如表2-12所示：表2-12 測(cè)距儀的精度分級(jí) MD =(a+b10-6 D) 測(cè)距中誤差（mm）MD5 5 MD 10 10 MD20 測(cè)距儀精度等級(jí) （4）按反射目標(biāo)可將測(cè)距儀分為具有漫反射目標(biāo)（非合作目標(biāo)即免棱鏡）的測(cè)距儀、具有合作目標(biāo)（平面反射鏡、角反射鏡等）的測(cè)距儀和具有有源反射器（同頻載波應(yīng)答機(jī)、非同頻載波應(yīng)答機(jī)等）的測(cè)

8、距儀。三、電磁波測(cè)距誤差來(lái)源及其影響測(cè)距誤差的大小與儀器本身的質(zhì)量，觀測(cè)時(shí)的外界條件以及操作方法有著密切的關(guān)系。為了提高測(cè)距精度，必須正確地分析測(cè)距的誤差來(lái)源，性質(zhì)及大小，從而找到消除或削弱其影響的辦法，使測(cè)距獲得最優(yōu)精度。影響測(cè)距的誤差，就其方式來(lái)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(zhǎng)短無(wú)關(guān)，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(diào)制頻率 和大氣折射率 的相對(duì)誤差使測(cè)距誤差隨距離 而增加，它們屬于比例誤差。這類誤差對(duì)短程測(cè)距影響不大，但對(duì)中遠(yuǎn)程精密測(cè)距影響十分顯著。（1）光速值c的誤差影響1975年國(guó)際大地測(cè)量及地球物理聯(lián)合會(huì)同意采用的光速

9、暫定值為c=2997924581.2m/s這個(gè)暫定值是目前國(guó)際上通用的數(shù)值，其相對(duì)誤差 ，這樣的精度是極高的，所以，光速值c對(duì)測(cè)距誤差的影響甚微，可以忽略不計(jì)。（2）調(diào)制頻率 的誤差影響調(diào)制頻率是由儀器的主控振蕩器產(chǎn)生的，調(diào)制頻率誤差的來(lái)源主要有兩個(gè)方面：一是裝調(diào)儀器時(shí)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(duì)于前者，由于是高精度的數(shù)字頻率計(jì)作頻率校準(zhǔn)的，其誤差可以忽略不計(jì)。對(duì)于后者，則與主控振蕩器所用的石英晶體的質(zhì)量、老化過(guò)程以及是否采用恒溫措施密切相關(guān)。由于紅外測(cè)距儀中都采用了精粗測(cè)定值銜接的運(yùn)算電路，所以作業(yè)前應(yīng)對(duì)它的精測(cè)晶振頻率進(jìn)行校正，一般要求 在0.510-61.

10、010-6范圍內(nèi)。短期內(nèi)它的影響可以忽略。對(duì)于粗測(cè)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(cè)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(cè)定誤差和氣象代表性誤差（即測(cè)站與鏡站上測(cè)定值之平均，經(jīng)過(guò)氣象元素代表性改正后，依舊存在的代表性誤差）。正確地測(cè)定測(cè)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(luò)徑上的實(shí)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(duì)精密中、遠(yuǎn)程測(cè)距乃是十分重要的。因此，在實(shí)際作業(yè)中必須注意以下幾點(diǎn)：氣象儀表必須經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，以保證儀表本身的正確性。氣象代表性的誤差影響較為復(fù)雜，

11、它受到測(cè)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(diǎn)時(shí)應(yīng)注意地形條件，盡量避免測(cè)線兩端高差過(guò)大的情況，避免視線擦過(guò)水域。觀測(cè)時(shí)，應(yīng)選擇在空氣能充分調(diào)和的有微風(fēng)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(shí)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(cè)取平均值，也能進(jìn)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(cè)相誤差，儀器加常數(shù)誤差和對(duì)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(zhǎng)短無(wú)關(guān)，所以在精密的短程測(cè)距時(shí)，這類誤差將處于突出的地位。（1）對(duì)中誤

12、差對(duì)于對(duì)中或歸心誤差的限制，在控制測(cè)量中，一般要求對(duì)中誤差在3mm以下，要求歸心誤差在5mm左右。但在精密短程測(cè)距時(shí)，由于精度要求高，必須采用強(qiáng)制歸心方法，最大限度地削弱此項(xiàng)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(shí)的測(cè)定誤差和由于機(jī)內(nèi)光電器件的老化變質(zhì)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(cè)定誤差 0.5 ，此處 為儀器設(shè)計(jì)（標(biāo)稱）的偶然中誤差。對(duì)于儀器加常數(shù)變更的影響，則應(yīng)經(jīng)常對(duì)加常數(shù)進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，予以發(fā)現(xiàn)并改用新的加常數(shù)來(lái)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(shí)應(yīng)注意配套。必須代用時(shí)，使用之前應(yīng)該準(zhǔn)確測(cè)定儀器加常數(shù)。（3）測(cè)相誤差測(cè)相誤差

13、是由多種誤差綜合而成。這些誤差有測(cè)相設(shè)備本身的誤差，內(nèi)外光路光強(qiáng)相差懸殊而產(chǎn)生的幅相誤差，發(fā)射光照準(zhǔn)部位改變所致的照準(zhǔn)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(dāng)?shù)姆垂忡R，可以減少測(cè)相誤差的影響；此外，觀測(cè)前要精確進(jìn)行光電瞄準(zhǔn)，使反射器處于光斑中央，以減少照準(zhǔn)誤差的影響，多次精心照準(zhǔn)和讀數(shù)，取平均后的照準(zhǔn)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(fù)出現(xiàn)的誤差。它是由于機(jī)內(nèi)同頻串?dāng)_信號(hào)的干擾而產(chǎn)生的。這種干擾主要由機(jī)內(nèi)電信號(hào)的串?dāng)_而產(chǎn)生。如發(fā)射信號(hào)通過(guò)電子開(kāi)關(guān)，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?dāng)_產(chǎn)

14、生，如內(nèi)光路漏光而串到接收部分。周期誤差可采取測(cè)定其振幅和初相而在觀測(cè)值中加以改正來(lái)消除其影響。四、全站儀精密測(cè)距全站儀是將電子經(jīng)緯儀、電子測(cè)距儀和電子記簿組合在一起，在同一微處理機(jī)控制下，在測(cè)站上能同時(shí)自動(dòng)測(cè)定和顯示距離、水平角和垂直角，并能計(jì)算地面點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)的儀器。全站儀距離測(cè)量必須選用與全站儀配套的合作目標(biāo)，即反光棱鏡。由于電子測(cè)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(duì)中、整平。在距離測(cè)量前應(yīng)進(jìn)行氣象改正、棱鏡類型、棱鏡常數(shù)改正、測(cè)距模式的設(shè)置和測(cè)距回光信號(hào)的檢查，然后才能進(jìn)行距離測(cè)量。儀器的各項(xiàng)改正是按設(shè)置儀器參數(shù)，經(jīng)微處理器對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算并改正后，顯

15、示觀測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的。只有合理設(shè)置儀器參數(shù)，才能得到高精度的觀測(cè)成果。1.設(shè)置大氣改正由于儀器是利用紅外光測(cè)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(guān)。儀器設(shè)計(jì)是在溫度T=15，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P=1013hpa（760mmHg）時(shí)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(dòng)完成氣象改正數(shù)的計(jì)算和設(shè)置，也可以直接輸入氣象改正數(shù)ppm值進(jìn)行設(shè)置。2.大氣折光和地球曲率改正儀器在進(jìn)行平距測(cè)量時(shí)，可對(duì)大氣折光和地球曲率的影響進(jìn)行自動(dòng)改正。注：通常儀器在出廠時(shí)已對(duì)大氣折光系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，該儀器出廠時(shí)已設(shè)置為 =0. 14。 值有0.14和0.2

16、可選。也可選擇關(guān)閉。3.設(shè)置目標(biāo)類型全站儀的目標(biāo)內(nèi)型可設(shè)置為紅色激光測(cè)距和不可見(jiàn)光紅外測(cè)距，可選用的反射體有棱鏡、無(wú)棱鏡及反射片。用戶可根據(jù)作業(yè)需要自行設(shè)置。使用時(shí)所用的棱鏡需與棱鏡常數(shù)匹配。4.設(shè)置棱鏡常數(shù)當(dāng)用棱鏡作為反射體時(shí)，需在測(cè)量前設(shè)置好棱鏡常數(shù)，一般PC=-30mm。一旦設(shè)置了棱鏡常數(shù)，關(guān)機(jī)后該常數(shù)將被保存。5.精密距離測(cè)量次數(shù)設(shè)置按規(guī)范要求，精密距離測(cè)量通常要求多個(gè)測(cè)回，因此，在測(cè)距前，應(yīng)對(duì)距離測(cè)量次數(shù)按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)預(yù)置了觀測(cè)次數(shù)時(shí)，儀器就會(huì)按設(shè)置的次數(shù)進(jìn)行距離測(cè)量并顯示出平均距離值。6.測(cè)量在上述測(cè)距參數(shù)等全部設(shè)置完成后即可進(jìn)行精密距離測(cè)量。如下圖所示，在精確照準(zhǔn)棱鏡后

17、按【測(cè)距】鍵，即可測(cè)距并顯示距離值。用戶可根據(jù)需要選擇斜距、平距測(cè)量值。五、技能訓(xùn)練全站儀精密距離測(cè)量1.實(shí)訓(xùn)目的（1）掌握溫度計(jì)、氣壓計(jì)的正確使用；（2）掌握正確安置測(cè)距儀器及反射鏡，學(xué)會(huì)電磁波測(cè)距參數(shù)的設(shè)置；（3）掌握全站儀精密測(cè)距的作業(yè)方法和規(guī)程。2.實(shí)訓(xùn)任務(wù)與要求（1）了解規(guī)范工程測(cè)量規(guī)范（GB50026-2007）對(duì)距離測(cè)量的要求；（2）掌握溫度計(jì)、氣壓計(jì)的正確使用；（3）學(xué)習(xí)規(guī)范，掌握全站儀測(cè)距一測(cè)回的觀測(cè)方法和規(guī)程，并運(yùn)用限差指標(biāo)計(jì)算檢核成果質(zhì)量?！緦?shí)訓(xùn)2-3】4.實(shí)訓(xùn)內(nèi)容1）安置全站儀在測(cè)站上并對(duì)中、整平。2）在測(cè)線的另一端點(diǎn)上，安置棱鏡，對(duì)中、整平并瞄測(cè)距方向。3）設(shè)置距離測(cè)量參數(shù)：（1）設(shè)置測(cè)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(dòng)計(jì)算氣象改正數(shù)，也可直接輸入氣象改正數(shù)ppm值進(jìn)行設(shè)置。棱鏡常數(shù)改正pc：根據(jù)使用的棱鏡型號(hào)輸入常數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，一般pc=-30mm。（2）設(shè)置測(cè)距次數(shù)設(shè)置精測(cè)次數(shù)為4次。（3）選擇測(cè)距類型測(cè)距類型有傾斜距離、平面距離、高