光電測(cè)距儀精品課件

1、光電測(cè)距儀第1頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一知識(shí)點(diǎn) (1)電磁波測(cè)距基本原理；(2)相位式光電測(cè)距儀的工作原理 ；(3)測(cè)距誤差來源及其影響 ；(4)觀測(cè)結(jié)果的化算 ；(5)電子全站儀 。習(xí)題第2頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一一、電磁波測(cè)距基本原理 光電測(cè)距儀按儀器測(cè)程分類：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。如我國(guó)的HGC-1、DCH-2、DCH3、DCH-05等精度均可達(dá)(5mm+5 10-6)。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、-2、DCS-1，精度可達(dá)（lOmm+1 10-6）。 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。如我國(guó)研制成功的JCY-3型等。 第3頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一相位式光電測(cè)距儀的基本公式式中： 測(cè)尺長(zhǎng)度； 整周數(shù)； 不足一周的尾數(shù) 測(cè)尺頻率的選擇直接測(cè)尺頻率方式：直接使用各測(cè)尺頻率的測(cè)量結(jié)果組合成待測(cè)距離的方式，。 間接測(cè)尺頻率方式：用差頻作為測(cè)尺頻率進(jìn)行測(cè)距的方式 。測(cè)尺頻率的確定：一般將用于決定儀器測(cè)距精度的測(cè)尺頻率稱精測(cè)尺頻率；而將用于擴(kuò)展測(cè)程的測(cè)尺頻率稱為粗測(cè)尺頻率。 第4頁(yè)，

3、共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一 對(duì)于采用直接測(cè)尺頻率方式的測(cè)距儀，精測(cè)尺頻率的確定，依據(jù)測(cè)相精度，主要考慮儀器的測(cè)程和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確銜接，還要使確定的測(cè)尺長(zhǎng)度便于計(jì)算。 例如我國(guó)的HGC-1型及長(zhǎng)征DCH-1型紅外測(cè)距儀，確定精測(cè)尺長(zhǎng)=10m和粗測(cè)尺長(zhǎng)=1000m的精測(cè)尺頻率和粗測(cè)尺頻率。測(cè)尺頻率可依下式確定： 式中: 光波在大氣中的傳播速度； 大氣折射率； 光波在真空中的傳播速度； 調(diào)制頻率（測(cè)尺頻率）。 返回本章目錄第5頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一二、相位式光電測(cè)距儀的工作原理 相位式光電測(cè)距儀的工作原理第6頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月2

4、0日，4點(diǎn)29分，星期一相位式光電測(cè)距儀各主要部件的工作原理簡(jiǎn)介 光源 相位式測(cè)距儀的光源，主要有砷化鎵（GaAs）二極管和氦-氖（He-Ne）氣體激光器。前者一般用于短程測(cè)距儀中，后者用于中遠(yuǎn)程測(cè)距儀中。調(diào)制器 采用砷化鎵（GaAs）二極管發(fā)射紅外光的紅外測(cè)距儀，發(fā)射光強(qiáng)直接由注入電流調(diào)制，發(fā)射一種紅外調(diào)制光，稱為直接調(diào)制，故不再需要專門的調(diào)制器。但是采用氦氖激光等作光源的相位式測(cè)距儀，必須采用一種調(diào)制器，其作用是將測(cè)距信號(hào)載在光波上，使發(fā)射光的振幅隨測(cè)距信號(hào)電壓而變化，成為一種調(diào)制光。棱鏡反射器 在使用光電測(cè)距儀進(jìn)行精密測(cè)距時(shí)，必須在測(cè)線的另一端安置一個(gè)反射器，使發(fā)射的調(diào)制光經(jīng)它反射后，被

5、儀器接收器接收。 第7頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一相位式光電測(cè)距儀各主要部件的工作原理簡(jiǎn)介 光電轉(zhuǎn)換器件 在光電測(cè)距儀中，接收器的信號(hào)為光信號(hào)。為了將此信號(hào)送到相位器進(jìn)行相位比較，必須把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，對(duì)此要采用光電轉(zhuǎn)換器件來完成這項(xiàng)工作。用于測(cè)距儀的光電轉(zhuǎn)換器件通常有光電二極管，雪崩光電二極管和光電倍增管。 差頻測(cè)相 目前相位式測(cè)距儀都采用差頻測(cè)相，即就是使高頻測(cè)距信號(hào)和高頻基準(zhǔn)信號(hào)在進(jìn)入比相前均與本振高頻信號(hào)進(jìn)行差頻，成為測(cè)距和基準(zhǔn)低頻信號(hào)。在比相時(shí)，由于低頻信號(hào)的頻率大幅度降低（如精測(cè)尺頻率為15MHz，混頻后低頻為4kHz時(shí)，降低了3750倍），周期相應(yīng)擴(kuò)

6、大，即表象時(shí)間得到放大，這就大大地提高了測(cè)相精度。自動(dòng)數(shù)字測(cè)相 隨著集成電路和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，為測(cè)距儀向自動(dòng)化和數(shù)字化方向發(fā)展提供了條件。目前許多中、短程測(cè)距儀幾乎都采用自動(dòng)數(shù)字測(cè)相技術(shù)以及距離的數(shù)字顯示。返回本章目錄第8頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一三、測(cè)距誤差來源及其影響測(cè)距誤差的主要來源 ： 上式中的各項(xiàng)誤差影響，就其方式來講，有些是與距離成比例的。這些誤差稱為“比例誤差”；另一些誤差影響與距離長(zhǎng)短無關(guān)。稱其為“固定誤差”。對(duì)于式中偶然性誤差的影響，我們可以采取不同條件下的多次觀測(cè)來削弱其影響；而對(duì)系統(tǒng)性誤差影響則不然，但我們可以事先通過精確檢定，縮小這類誤差的

7、數(shù)值，達(dá)到控制其影響的目的。第9頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一比例誤差的影響 ：光速值的誤差影響 光速值對(duì)測(cè)距誤差的影響甚微，可以忽略不計(jì)。調(diào)制頻率的誤差影響 調(diào)制頻率的誤差，包括兩個(gè)方面，即頻率校正的誤差（反映了頻率的精確度）和頻率的漂移誤差（反映了頻率穩(wěn)定度）。頻率誤差影響在精密中遠(yuǎn)程測(cè)距中是不容忽視的，作業(yè)前后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行頻率檢校，必要時(shí)還得確定晶體的溫度偏頻曲線，以便給以頻率改正。大氣折射率的誤差影響 正確測(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，可以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。第10

8、頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一固定誤差的影響 ： 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。在精密的短程測(cè)距時(shí)，這類誤差將處于突出的地位。 對(duì)中誤差 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。儀器加常數(shù)誤差 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)來避免這種影響。測(cè)相誤差 包括測(cè)相設(shè)備本身的誤差 ，幅相誤差 ，照準(zhǔn)誤差 ，信噪比引起的誤差，周期誤差 。返回本章目錄第11頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一四、觀測(cè)結(jié)果的

9、化算頻率改正 ： 頻率變化對(duì)距離的影響是系統(tǒng)性的。通常，精測(cè)尺頻率可通過檢測(cè)，用補(bǔ)償?shù)霓k法調(diào)整到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，這時(shí)頻率改正就不必加了。但是，考慮到搬運(yùn)振動(dòng)，晶體老化等原因會(huì)導(dǎo)致頻率變化，因此作業(yè)前后常常要進(jìn)行頻率對(duì)比，發(fā)現(xiàn)頻率變化過大時(shí)，就要考慮對(duì)測(cè)得的距離加上頻率改正。 氣象改正 ： 氣象改正數(shù)隨溫度和氣壓的變化而變化，因此氣象元素（溫度和氣壓）最好是取測(cè)線上的平均值來計(jì)算。 第12頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一波道彎曲改正 ：由于波道彎曲引起的弧長(zhǎng)化為弦長(zhǎng)的波道幾何改正。由于實(shí)際大氣折射系數(shù)僅用測(cè)線兩端的中值，而沒有采用嚴(yán)格沿波道上的積分平均值，因此產(chǎn)生了所謂折射

10、系數(shù)的代表性改正。 歸心改正 ：包括高差而引起的傾斜改正，測(cè)線超出參考橢球面而引起的投影改正，弦長(zhǎng)化為弧長(zhǎng)的改正。 傾斜改正和投影改正 ：第13頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一橢球面上水平距離的計(jì)算 ：設(shè)參考橢球面上的水平距離以S表示，則： 式中 為儀器常數(shù)， 為儀器周期誤差改正。應(yīng)當(dāng)指出，以上各項(xiàng)改正并非每項(xiàng)都要計(jì)算，根據(jù)儀器情況，邊的長(zhǎng)短和測(cè)邊精度要求，有些項(xiàng)實(shí)際上不存在或本身過小而無需計(jì)算。屬于各測(cè)回不同的改正計(jì)算，必須在各測(cè)回內(nèi)分別計(jì)算，而其余的改正項(xiàng)各測(cè)回都是一樣的。則可在最后一次計(jì)算。返回本章目錄第14頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一

11、五、電子全站儀 全站儀的概念 ： 把電子測(cè)距、電子測(cè)角和微處理機(jī)結(jié)合成一個(gè)整體、能自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)并具備某些固定計(jì)算程序的電子速測(cè)儀 ，因該儀器在一個(gè)測(cè)站點(diǎn)能快速進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量、定位和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)等工作，較完善地實(shí)現(xiàn)了測(cè)量和數(shù)據(jù)處理過程的電子化和一體化，所以稱“全站型電子速測(cè)儀”，通常又稱為“電子全站儀”或簡(jiǎn)稱“全站儀”。 第15頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一全站儀的基本組成及結(jié)構(gòu) ：全站儀的基本組成 補(bǔ)償部分測(cè)角部分測(cè)距部分CPUI/O接 口中央處理器輸入輸出電 源顯 示 屏鍵 盤第16頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一全站儀的基本

12、結(jié)構(gòu) 組合式全站儀：組合式結(jié)構(gòu)的全站儀是由測(cè)距頭、光學(xué)經(jīng)緯儀及電子計(jì)算部分拼裝組合而成。整體式全站儀:整體式結(jié)構(gòu)的全站儀是在一個(gè)機(jī)器外殼內(nèi)含有電子測(cè)距、測(cè)角、補(bǔ)償、記錄、計(jì)算、存儲(chǔ)等部分，將發(fā)射、接收、瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成同軸，共用一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，角度和距離測(cè)量只需一次瞄準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果能自動(dòng)顯示并能與外圍設(shè)備雙向通訊。 組合式全站儀 整體式全站儀 第17頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一全站儀的精度及等級(jí)全站儀的精度全站儀是由光電測(cè)距、電子測(cè)角、電子補(bǔ)償、微機(jī)數(shù)據(jù)處理為一體的綜合型測(cè)量?jī)x器，其主要精度指標(biāo)是測(cè)距精度和測(cè)角精度。如SET500全站儀的標(biāo)稱精度為：測(cè)角精度=5；測(cè)距精

13、度=（3+2ppmD）mm。全站儀的等級(jí)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程（JJG10094）將全站儀準(zhǔn)確度等級(jí)分劃為四個(gè)等級(jí)。 第18頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一電腦全站儀的主要特點(diǎn) 1）電腦操作系統(tǒng)。電腦全站儀具有像通常PC機(jī)一樣的DOS操作系統(tǒng)。2）大屏幕顯示。可顯示數(shù)字，文字，圖像，也可顯示電子氣泡居中情況，以提高儀器安置的速度與精度，并采用人機(jī)對(duì)話式控制面板。3）大容量的內(nèi)存。一般內(nèi)存在IM 以上，其中主內(nèi)存有640K。數(shù)據(jù)內(nèi)存320K，程序內(nèi)存512K，擴(kuò)展內(nèi)存512K。4）采用國(guó)際計(jì)算機(jī)通用磁卡。所有測(cè)量信息都可以文件形式記入磁卡或電子記錄簿，磁卡采用無觸點(diǎn)感應(yīng)式，可以

14、長(zhǎng)期保留數(shù)據(jù)。5）自動(dòng)補(bǔ)償功能。補(bǔ)償器裝有雙軸傾斜傳感器，能直接檢測(cè)出儀器的垂直軸,在視準(zhǔn)軸方向和橫軸方向上的傾斜量，經(jīng)儀器處理計(jì)算出改正值并對(duì)垂直方向和水平方向值加以改正，提高測(cè)角精度。6）測(cè)距時(shí)間快，耗電量少。第19頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一全站儀操作應(yīng)注意事項(xiàng) 理解全站儀的概念了解工作原理明確測(cè)量功能熟悉操作步驟合理設(shè)置儀器參數(shù)正確選擇測(cè)量模式掌握應(yīng)用技術(shù) 第20頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一距離測(cè)量 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

15、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。 第21頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一全站儀在高程測(cè)量的應(yīng)用 全站儀三角高程測(cè)量的技術(shù)指標(biāo) 注： 1.D為測(cè)距邊長(zhǎng)度，以千米（km）為單位 2.邊長(zhǎng)大于400m時(shí)，應(yīng)考慮球氣差的影響第22頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一基本原理 圖中是高程已知的水準(zhǔn)點(diǎn)，是待測(cè)點(diǎn)，是高程路線的轉(zhuǎn)點(diǎn)，1,2,3

16、,4為全站儀的設(shè)站位置。 因?yàn)橛萌緝x可以直接讀取全站儀中心到棱鏡中心的高差，因此有： 第23頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一同理可得：用全站儀代替水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測(cè)量應(yīng)滿足的條件:（1）全站儀的設(shè)站次數(shù)為偶數(shù)，否則不能把轉(zhuǎn)點(diǎn)棱鏡高抵消掉；（2）起始點(diǎn)和終點(diǎn)的棱鏡高，應(yīng)保持相等；（3）轉(zhuǎn)點(diǎn)上的棱鏡高在儀器搬動(dòng)過程中保持不變；（4）儀器在一個(gè)測(cè)站的觀測(cè)過程中高度保持不變。 第24頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一精度分析 垂直角和水平距離觀測(cè)誤差對(duì)觀測(cè)高差的影響 地球曲率和大氣折光的影響 水準(zhǔn)測(cè)量要求前后視距相等主要是為了抵消角誤差，同時(shí)也為了削弱地球

17、曲率及大氣折光的影響，用全站儀代替水準(zhǔn)儀測(cè)量時(shí)，可以設(shè)置大氣折光系數(shù)（一般取0.12），有儀器自動(dòng)對(duì)地球曲率及大氣折光的影響進(jìn)行改正。如果把視距控制在200左右，前后視距差在3之內(nèi)，影響可以忽略不計(jì)。 第25頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一棱鏡沉降、儀器沉降、棱鏡傾斜的誤差 與水準(zhǔn)儀測(cè)量類似，用全站儀代替水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測(cè)量時(shí)同樣存在棱鏡沉降、儀器沉降的影響，觀測(cè)時(shí)必須采取一定的措施來減弱或消除。 棱鏡沉降主要發(fā)生在儀器的轉(zhuǎn)站過程中，提高觀測(cè)速度、采用往返觀測(cè)的方法也可以抵消部分影響。儀器沉降主要發(fā)生在一個(gè)測(cè)回的觀測(cè)過程中，在一個(gè)測(cè)站上要變換儀器高觀測(cè)兩個(gè)測(cè)回，第二測(cè)回和

18、第一測(cè)回采用相反的觀測(cè)次序，即“后前前后”或“前后后前”，可以有效的減弱儀器沉降的影響。覘標(biāo)傾斜的影響與水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)水準(zhǔn)尺的傾斜相似，只要仔細(xì)檢驗(yàn)對(duì)中桿上的圓水準(zhǔn)氣泡，在立桿時(shí)保證氣泡居中就可以消除此影響。第26頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一豎直度盤指標(biāo)差的影響 水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)主要存在角誤差的影響，為了消除角誤差對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響一般要求前后視距相等。用全站儀觀測(cè)時(shí)，類似的誤差是豎直度盤指標(biāo)差，如果只用正鏡或倒鏡觀測(cè)，該項(xiàng)誤差的影響不容忽視。但是只要采用正倒鏡觀測(cè)，就可以抵消指標(biāo)差的影響。 豎直度盤指標(biāo)差的影響 水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)主要存在角誤差的影響，為了消除角誤差對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響一

19、般要求前后視距相等。用全站儀觀測(cè)時(shí)，類似的誤差是豎直度盤指標(biāo)差，如果只用正鏡或倒鏡觀測(cè)，該項(xiàng)誤差的影響不容忽視。但是只要采用正倒鏡觀測(cè)，就可以抵消指標(biāo)差的影響。 第27頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)29分，星期一垂直軸傾斜誤差的影響 全站儀能夠進(jìn)行垂直軸傾斜的自動(dòng)補(bǔ)償，并且補(bǔ)償后的精度能達(dá)到0.1，影響甚微。因此，垂直軸傾斜誤差的影響可以忽略不計(jì)。 垂線偏差的影響 在山區(qū)和丘陵地區(qū)用全站儀代替水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測(cè)量有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但由于垂線偏差的變化較大，使得測(cè)點(diǎn)之間所觀測(cè)的高差不等于這兩點(diǎn)之間的正常高高差，因此，必須加一個(gè)垂線偏差改正。在平原地區(qū)，前視和后視的平均垂線偏差基本相等，故垂線偏差