精密电磁波测距方法课件.ppt

1、大地测量学基础大地测量学基础5.7 5.7 精密的电磁波测距方法精密的电磁波测距方法p测距方法有：测距方法有：分划尺比对、视距测量、电磁波测距（微波、激光或红外）分划尺比对、视距测量、电磁波测距（微波、激光或红外）以及全站型电子速测仪等。以及全站型电子速测仪等。p大地测量中，为了推算控制点坐标，必须测定网中少量边大地测量中，为了推算控制点坐标，必须测定网中少量边长为起始边长，并作为网中的尺度基准。（基线边）长为起始边长，并作为网中的尺度基准。（基线边）p精密测距方法：精密测距方法：2020世纪世纪5050年代：铟瓦线尺丈量；年代：铟瓦线尺丈量；7070年代后：精密电磁波测距；年代后：精密电磁波

2、测距；近近1010余年：余年：GPSGPS测量（中、远距离测量）。测量（中、远距离测量）。本节介绍精密电磁波测距的基本原理、测距成果处理以及误本节介绍精密电磁波测距的基本原理、测距成果处理以及误差分析等。差分析等。铟瓦基线尺与电磁波测距仪铟瓦基线尺与电磁波测距仪轴杆架轴杆架卫星激光测距仪卫星激光测距仪p国际长度基准国际长度基准 国际米原器国际米原器l 18891889年以来，国际米原型尺：过巴黎地球子午线的四千万分之年以来，国际米原型尺：过巴黎地球子午线的四千万分之一的长度；一的长度；l 19601960年年1010月新米定义：氪月新米定义：氪-86-86原子辐射波长的原子辐射波长的16507

3、63.731650763.73倍的长倍的长度；度；l 19751975年年8 8月，重新定义，采纳：甲烷线波长的月，重新定义，采纳：甲烷线波长的294791.21294791.21倍为米倍为米长度。长度。现行现行“米米”的定义：的定义：l 19831983年年1010月召开的第十七届国际计量大会上，通过米定义：月召开的第十七届国际计量大会上，通过米定义：“光在真空中光在真空中1/2997924581/299792458秒的时间间隔内所行进路程的长度秒的时间间隔内所行进路程的长度”。l 我国采用国际适用单位我国采用国际适用单位m m。p电磁波测距的两种方式：电磁波测距的两种方式：1 1）脉冲式测

4、距脉冲式测距测距仪发射测距仪发射脉冲波脉冲波，被目标返回，被目标返回后，由仪器接收，后，由仪器接收，直接直接测出脉冲往返传播时间测出脉冲往返传播时间t t。测程远时，其精度不如相位式的精度高。测程远时，其精度不如相位式的精度高。2 2）相位式测距相位式测距测距仪发射测距仪发射正弦调制波正弦调制波，反射，反射后由仪器接收，测出调制波在往返距离上的相位后由仪器接收，测出调制波在往返距离上的相位差差（间接测时），（间接测时），推算出距离，精度可达推算出距离，精度可达1 12cm2cm。5.7.1 5.7.1 电磁波测距基本原理电磁波测距基本原理p相位式测距分类相位式测距分类u按测程分有短程（按测程分

5、有短程（3km15km15km）u按精度分为按精度分为级（每级（每kmkm中误差中误差5mm5mm）、）、级（级（5 510mm10mm）、）、级（级（101020mm20mm）u按载波频率分为光波（光速、红外、激光）、微波、多载波按载波频率分为光波（光速、红外、激光）、微波、多载波1.1.脉冲式测距基本原理公式脉冲式测距基本原理公式（直接测时）（直接测时）p式中：式中：c c是电磁是电磁波在大气中的传波在大气中的传播速度；播速度；t t是电是电磁波在距离磁波在距离D D上上往返一次的时间。往返一次的时间。p棱镜反射器特点：棱镜反射器特点：具有三个相互垂直的反射角；具有三个相互垂直的反射角；反

6、射光线平行于入射光线；反射光线平行于入射光线；多块棱镜可以组合，且组合棱镜可以同光叠加。多块棱镜可以组合，且组合棱镜可以同光叠加。p脉冲式测距精度低，多用于远距离精度要求不高的测距以及地形测量等。脉冲式测距精度低，多用于远距离精度要求不高的测距以及地形测量等。2.相位式测距原理公式相位式测距原理公式（间接测时）（间接测时）p利用光波作为利用光波作为“运输工具运输工具”（载波），通过一个调制器使（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。载波的振幅或频率按照调制波的变化做周期性变化。p测距时，通过测量调制波在待测距离上往返传播所产生的测距时，通过测量调制波在待测距离上

7、往返传播所产生的相位变化相位变化，间接地确定传播时间，间接地确定传播时间t t，进而求的待测距离，进而求的待测距离D D。1224ctDctffa)a)安置测距仪、反射器安置测距仪、反射器；b)b)调制光波通过测线到调制光波通过测线到达反射器，并经反射达反射器，并经反射器被仪器接收器接收器被仪器接收器接收；c)c)将调制光波的往、返将调制光波的往、返程展开在一直线上，程展开在一直线上，用波形示意图表示。用波形示意图表示。ft222()2(),2NNNN1()()()222cDctNNNNu NNf是整周未知数（称为“电子尺”）Nu22tft相位差：相位差：p意义：用半波长电测尺，测了意义：用半

8、波长电测尺，测了N N个整尺段和不足一尺段的尾数个整尺段和不足一尺段的尾数N N。又：又：故有相位式测距原理公式为：故有相位式测距原理公式为：1111(0)22cDNNf设：1111()()=022nncDNnNnf逐渐变动调高频率：（）111ffnfNn5.7.2 N5.7.2 N值解算方法值解算方法()Du NN公式中公式中u已知，测相器只能测出已知，测相器只能测出N，故求，故求D还需知还需知道道N值。值。测距时，测距时，连续变动调连续变动调制频率使其制频率使其调制波长也调制波长也发生连续的发生连续的变化。变化。n是调制是调制频率变化引频率变化引起信号强度起信号强度作周期性变作周期性变化的

9、次数。化的次数。1.1.可变频率法：可变频率法：测尺频率测尺频率15MHz15MHz1.5MHz1.5MHz150kHz150kHz15kHz15kHz1.5kHz1.5kHz测尺长度测尺长度精精 度度10m10m1cm1cm100m100m10cm10cm1km1km1m1m10km10km10m10m100km100km100m100m2.2.固定频率法固定频率法p频率与测程的关系：频率与测程的关系：2cufu不难看出：测相精度与测程成反比。不难看出：测相精度与测程成反比。u可见，用单一频率的测量来解决单值解，精度和测程不能兼顾。可见，用单一频率的测量来解决单值解，精度和测程不能兼顾。u为

10、此，采用一组为此，采用一组“测尺测尺”共同测距，来扩大测程，并提高精度。共同测距，来扩大测程，并提高精度。u用用精测频率精测频率测定余长以保证精度，设置多级频率测定余长以保证精度，设置多级频率(粗测频粗测频率率)来解算来解算 N N 而保证测程，从而解决而保证测程，从而解决“多值性多值性”问题。问题。电磁波测距是在电磁波测距是在地球自然表面地球自然表面以及以及实际大气条实际大气条件件下，通过仪器进行的，故测得的距离只是初步下，通过仪器进行的，故测得的距离只是初步值，因而需要一系列的改正计算。值，因而需要一系列的改正计算。5.7.3 5.7.3 距离观测值的改正距离观测值的改正第一类：大气折光引

11、起的：气象、波道弯曲等；第一类：大气折光引起的：气象、波道弯曲等；第二类：仪器本身造成的：加常数、乘常数等周期误差；第二类：仪器本身造成的：加常数、乘常数等周期误差；第三类：归算方面：偏心、倾斜以及投影到椭球面上改正第三类：归算方面：偏心、倾斜以及投影到椭球面上改正等。等。1 1、气象改正、气象改正 nD（1 1）输入气象因子后，仪器自动改正；）输入气象因子后，仪器自动改正；（2 2）按公式计算气象改正（注意不同仪器气象改正公式不同）按公式计算气象改正（注意不同仪器气象改正公式不同）。（3 3）带有传感器，自动感知测站上的气象参数，自动对测距加改）带有传感器，自动感知测站上的气象参数，自动对测

12、距加改正数。正数。是电磁波测距重要改正；是电磁波测距重要改正；实质就是大气折射对距离的改正。实质就是大气折射对距离的改正。例如例如 DI20 DI20 测距仪的测距仪的红外波长红外波长=0.835m=0.835m，参考大气条件，参考大气条件1515o oC,760mmHgC,760mmHg。气象改。气象改正公式为：正公式为：0610)16.27302.1591.1052.282(DtePDn2.2.仪器加常数改正和乘常数改正仪器加常数改正和乘常数改正1)1)仪器加常数改正仪器加常数改正 因测距仪、反光镜的安因测距仪、反光镜的安置中心与测距中心不一致置中心与测距中心不一致而产生的距离改正，称仪而

13、产生的距离改正，称仪器加常数改正器加常数改正,包括测距仪包括测距仪加常数加常数C1C1和反光镜加常数和反光镜加常数C2C2。21CCDC即：即：CD2)2)乘常数改正乘常数改正RD 当测定中、长的边长，且测定精度要求较高。顾及仪器当测定中、长的边长，且测定精度要求较高。顾及仪器乘常数引起的距离改正，即：乘常数引起的距离改正，即：0RDR Dp产生原因：产生原因：调制频率偏离其标准值引起的，也称比例因子。调制频率偏离其标准值引起的，也称比例因子。式中：式中：R R为测距仪的乘常数系数（为测距仪的乘常数系数（mm/kmmm/km）；）；D D0 0为观测距离为观测距离（kmkm）。）。p测距仪的加

14、常数测距仪的加常数C C、乘常数、乘常数R R应定期检定应定期检定。nCdCdCdCdCDniin121)()()(111ndDCniidCmnnm2)1(1p六段法测定仪器加常数的基本原理六段法测定仪器加常数的基本原理不难看出：分段数不难看出：分段数n n的多少，取取决于的多少，取取决于C C的精度要求；的精度要求；一般要求，一般要求，算的，算的n=6.5n=6.5，应分成，应分成6-76-7段，故一般取段，故一般取6 6段。段。0.5cdmmp为提高测距精度，应增加多余观测，故采用全组合观测法，为提高测距精度，应增加多余观测，故采用全组合观测法，共测共测2121个距离值。在六段法中，点号一

15、般取为个距离值。在六段法中，点号一般取为0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6，则须测定如下距离：，则须测定如下距离：3.3.波道曲率改正波道曲率改正p产生原因：产生原因：距离较远时，电磁波受大气垂直折射距离较远时，电磁波受大气垂直折射影响，其路线不是一条直线，而是一条影响，其路线不是一条直线，而是一条弧线。弧线。实际测距时，在测线两端测定气象元实际测距时，在测线两端测定气象元素，由此求出测线两端折射率的平均值，素，由此求出测线两端折射率的平均值，代替严格意义下的测线折射率的积分平代替严格意义下的测线折射率的积分平均值。均值。u将弧长化为弦长的改正称为将弧长化为弦长的改正称为“

16、第一速度第一速度改正改正”。即：。即：32224gDDDDkR（K K为折射系数，光波为折射系数，光波k=0.13k=0.13，微波，微波k=0.25k=0.25）p以测线两端点的折射率代替测线折射率而产生的改正，称以测线两端点的折射率代替测线折射率而产生的改正，称“第二速度改正第二速度改正”，其计算公式为：，其计算公式为：32(1)12vkkDDRp第一速度改正与第二速度改正之和称为第一速度改正与第二速度改正之和称为“波道曲率改正波道曲率改正”，即：即：232224kgvkkDDDDR u说明：说明：K K小于小于1 1，故波道曲率改正是负数；，故波道曲率改正是负数；通常在通常在15km15

17、km以内边长，可以不考虑改正。以内边长，可以不考虑改正。p产生原因：当设置了偏心观测，如觇标挡住了视线当设置了偏心观测，如觇标挡住了视线或视线中有障碍物。这时需要对偏心观测的边长加或视线中有障碍物。这时需要对偏心观测的边长加归心改正。（归心改正。（距离归心改正距离归心改正）4.归心改正改正u图图A A、B B为测线两为测线两端点标石中心；端点标石中心；AA、BB为主机和反光镜为主机和反光镜中心。中心。u偏心距偏心距e e、偏心角、偏心角类同前述方向归心类同前述方向归心元素。元素。p如何将测距仪距离如何将测距仪距离DD，化至标石中心的距离，化至标石中心的距离D D？u计算公式为计算公式为：(co

18、scos)eDDDee 5.5.周期误差改正周期误差改正 p周期误差周期误差仪器内部信号串扰引起的以距离为周期重复出仪器内部信号串扰引起的以距离为周期重复出现的误差。现的误差。)sin(0AD/360200Du改正公式：改正公式：u字母顺序：周期误差的振幅，周期误差的初始相位角，距字母顺序：周期误差的振幅，周期误差的初始相位角，距离观测值，精测调制波长。离观测值，精测调制波长。u当测距精度要求较高，应加周期误差改正。当测距精度要求较高，应加周期误差改正。6 6、倾斜距离、倾斜距离D D归算到参考椭球面弧长归算到参考椭球面弧长S S计算公式计算公式式中：D为斜距，h为两点高差，Hm为两点高程平均

19、值，RA为A点处椭球平均曲率半径。（用于10km内距离化算）7 7、参考椭球面上距离投影到高斯平面上的改正、参考椭球面上距离投影到高斯平面上的改正式中，式中，ymym为为A A、B B两点高斯平面两点高斯平面y y坐标的平均值，坐标的平均值，R R同上同上R RA A。S SS SD DS,S,2R2Ry yS S2 22 2m m2322241AAmRDRHhDS1 1）测距的主要误差来源）测距的主要误差来源5.7.4 5.7.4 测距的误差来源和精度表达式测距的误差来源和精度表达式p相位测距误差可以分为两大类：固定误差和比例误差。相位测距误差可以分为两大类：固定误差和比例误差。固定误差：固

20、定误差：与距离长短无关误差，如测定相位移的误差、与距离长短无关误差，如测定相位移的误差、仪器常数误差、反射器的对中误差、测距仪对中误差以及仪器常数误差、反射器的对中误差、测距仪对中误差以及周期误差等。周期误差等。比例误差：比例误差：与距离成比例的误差，如测尺频率误差、真与距离成比例的误差，如测尺频率误差、真空光速值误差以及大气折射率的误差等。空光速值误差以及大气折射率的误差等。2 2）测距的精度表达式）测距的精度表达式光电测距的精度表达式一般为：光电测距的精度表达式一般为：mabD 式中：式中：a a为固定误差，为固定误差，b b为比例误差。为比例误差。例如：例如：DI20DI20测距仪的厂家的说明书精度表达为：测距仪的厂家的说明书精度表达为：表示：该仪器测距时有固定误差表示：该仪器测距时有固定误差3mm3mm，比例误差，比例误差1ppm1ppm。6(31)(31 10)1(3)mmmppmDmmDmmmmDkm 内容小节内容小节1 1、电磁波测距原理；、电磁波测距原理；2 2、电磁波测距的距离改正数；、电磁波测距的距离改正数；3 3、电磁波测距误差来源、精度表达式。、电磁波测距误差来源、精度表达式。中南大学地球科学与信息物理学院中南大学地球科学与信息物理学院