(同济大学测量学课件)第04章_距离测量

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1、 测量学 同济大学 测量与国土信息工程系 1 第四章 距离测量 2 4 1距离测量概述 测距技术的发展 直接测距法 步测 双 步 1 5m 光学测距方法 视距 光学测距仪 几何光学测距方 法 步弓 尺链 线尺 竹尺 皮尺 钢尺 电磁波测距 3 4 2卷 钢 尺量距 一 钢尺 4 1 量距工具 1 钢尺 长度20m 30m 50m 5 2 辅助工具 6 4 2卷 钢 尺量距 二 直线定向 1 两点间定线 7 2 直线定线 确定分段丈量的分段点在待量直线端点的连线上 1 目测定线 2 经纬仪定线 8 4 2 卷 钢 尺量距 2 过山头定线 9 3 延长直线 A C1 B C2 C 10 1 钢尺铺

2、地丈量 在标准拉力下 丈量结果 三 距离测量 11 3 钢尺量距的一般方法 1 平坦地面的距离丈量 先量整尺段长 最后量余长 DAB n 尺段长 余长 12 钢尺铺地丈量 在标准拉力下 丈量结果 三 距离测量 13 需往 返丈量 返测时应重新定线 往 返丈量距离的相对误差K DAB DBA D 1 3000 例如 DAB 162 73m DBA 162 78m 相对误差K 162 73 162 78 162 755 1 3255实际长度 整尺段悬空时 中间应有人托住钢尺 4 定线误差 使所量距离为一组折线 丈量结果偏大 丈量30m的距离 偏差为0 25m时 量距偏大1mm 5 拉力误差 钢尺丈

3、量拉力应与检定拉力相同 拉力变化2 6kg 尺长改变1mm 6 丈量误差 插测钎不准 前 后尺手配合不佳 余长读数不准 丈量中应尽量准确对点 配合协调 16 17 四 尺长鉴定 钢尺长度方程式 钢是弹性体 在拉力作用下会变形 伸长 P 18 简单的尺长鉴定 在平坦的地面 宜在室内 使两尺温度相同 把待检定的尺子与高精度的标准尺比较而求得 k l lt 19 检定场 在平整的条形场地两端地面埋 设两个稳定的标志 其间距比待检定钢 尺长度n倍略短一些 高精度测量两标志 的间距作为标准长度L标准 设尺子的温度膨胀系数已知 用待检定 的尺子 先假定 k 0 在工作时的正 常拉力下 测量检定场两标志的间

4、距L 从而可得 20 钢尺尺长鉴定 尺号 015名义长度 30m膨胀系数 0 012 21 钢尺铺地丈量 在标准拉力下 名义丈量结果 最终成果 22 五 钢尺量距的成果整理 量得 s 234 943m t 27 4 h 2 54m 23 4 3 视距测量 24 视 距 测 量 视距测量 利用测量望远镜的视距丝 间接测定 距离和高差的方法 优点 测量速度快 不受地 形限制 不足 精度低 距离相对误 差一般约为1 300 高 差一般为分米级 用途 主要用于地形图测绘 地形点的距离与高差 25 1 视距公式 4 3 1 一 视线水平时视距测量公式 26 视距测量一 视线水平时 十字丝板上有两根视距丝

5、 它 们在物镜光心处的张角 基本是 不变的 两根视距丝在物方象 的间距与距离成正比 f Dn 一般制作仪器时令 27 视距测量一 视线水平时 十字丝板上有两根视距丝 它 们在物镜光心处的张角 基本是 不变的 两根视距丝在物方象 的间距与距离成正比 f Dn 28 1 视距公式 4 3 1 4 3 3 2 高差公式 4 3 4 一 视线水平时视距测量公式 29 n b 二 视线倾斜时 h i a l D 由于视线与水准尺不垂直 n a b a a b b n n S 30 n b 二 视线倾斜时 i a 由于视线与水准尺不垂直 n a b a a b b n n S 31 n b 二 视线倾斜时

6、 h i a l D 由于视线与水准尺不垂直 n a b a a b b n n S 32 n b 二 视线倾斜时 h i a l D 由于视线与水准尺不垂直 n a b S 33 4 4 光电测距 1948年瑞典AGA厂推出了第一台光波测距仪 随着需求的增长和光学 微电子学的发展使电 磁波测距的技术迅速发展 进一步推进了测量 学的发展 尽管GPS应用很广 短程电磁波测距仪仍然大有用途 34 电磁波测距仪的分类 按载波分 微波测距仪 激光测距仪 红外光测距仪 按测程分 远 长 程测距仪 中 短程测距仪 35 36 瑞典AGA公司生产的AGA 8激光测距仪 用5mw氦氖气体激光器 白天测40km

7、 夜间可测60km 精度 5mm 1ppm 37 T2 DI10 1968年Wild推出的第一台红外测距仪 Wild生产的微波测距仪 38 电子全站仪 棱 镜 全 站 仪 39 40 41 42 43 44 棱镜与基座 45 n下图是南方测绘公司生产的ND3000红外相位式测距仪 n它自带望远镜 望远镜的视准轴 发射光轴和接收光轴同轴 n有垂直制动螺旋和微动螺旋 可以安装在光学经纬仪上或电子经纬仪上 n测距时 测距仪瞄准棱镜测距 经纬仪瞄准棱镜测量竖直角 n通过测距仪面板上的键盘 将经纬仪测量出的天顶距输入到测距仪中 n可以计算出水平距离和高差 n右图为与仪器配套的棱镜对中杆与支架 它用于放样

8、测量非常方便 46 n下图是徕卡公司生产的DI1000红外相位式测距仪 n它不带望远镜 发射光轴和接收光轴是分立的 n仪器通过专用连接装置安装到徕卡公司生产的光学经纬仪或电子经纬仪上 n测距时 当经纬仪的望远镜瞄准棱镜下的照准觇牌时 n测距仪的发射光轴就瞄准了棱镜 n使用仪器的附加键盘将经纬仪测量出的天顶距输入到测距仪中 n即可计算出水平距离和高差 47 2 1 2 电磁波测距分类 光波测距仪 AGA 2A激光测距仪 AGA8 微波测距仪 CMW20 红外测距仪 DI5 48 一 电磁波测距原理 设电磁波在测距仪与反光镜 合作目标 之间往返 的时间为t 则测距仪至反光镜的距离 光在真空中的传播

9、速度为C0 299792458米 秒 49 1 脉冲法测距 50 1 脉冲法测距 脉冲法测距原理框图 时标脉冲 电子门 计数显示 触发器 放大器 光脉冲发生器 光电接收器 fcp t2D 51 2 1 3 脉冲法测距应用 激光测卫 激光往返时间t 距离D 合作目标 ERS 2卫星 52 2 1 3 脉冲法测距应用 激光测卫 上海人卫站 53 一 电磁波测距原理 设电磁波在测距仪与反光镜 合作目标 之间往返 的时间为t 则测距仪至反光镜的距离 现代测时的精度可达 10 8秒 但引起的距离误差达 1 5m 光在真空中的传播速度为C0 299792458米 秒 54 电磁波测距原理 按电磁波理论 光

10、是电磁波 其数学表达式为 它表达了光波在转播空间任一位置上电磁振动的状态 其中 55 S 56 电磁波测距原理 设光从发射器发出 抵达反光镜后返回仪器的接收 器 称为信号2 而从发射器发出的光分出一路直接 进入处理装置 称为信号1 这两个信号之间存在相 位差 和整周数N 利用相位器可测定 但而不能求得 整周数N 因此只可以求得 余长 而不能求得整长 57 调制波 短程的电磁波测距仪常用砷化镓GaAs发出的红外 激光波长约0 87 m 显然不能用它测距的信号 无线电技术可以对电磁波的振幅 频率 相位加以 调制使其随时间按一定的规律变化 在GaAs激光器 上注入按调制规律变化的电流后可以使激光器按

11、同 样的规律改变发光的强度 调制波的频率远小于红 外激光的频率 还可以用多个频率的调制波加载在 红外激光波上 58 电磁波测距原理 测距仪把一定波长的电磁波从A点射向B点 经B点的反光棱镜反射后由测距仪接收 射出 与接收波之间的相位差 可用微电子技术自动 测量 是电磁波在AB点之间往返时间的函数 表达式 用它可以算得测距仪至反光镜 之间斜距长度的 尾数 用几个不同波长的 电磁波 调制波 测量同一段距离可以既扩大测 程又保持精度 59 测程和精度 测相的精度是有限的 例如可以把 细分 1000倍 则测量的精度为测尺的1 1000 设 这时最小读数为cm 若要提高读数精度 就应缩短电子尺 但由于凭

12、一 个 无法求得整尺段数N 即不知待测距离的大数 就是说 用短的电子尺测量精度高但测程小 如果用长的电子尺能扩大测程 但由于细分技术的 限制 不能求得精确的尾数 即测程大但精度低 用两个频率的波 两个不同的电子尺 进行测量 一个用来测量距离的大数 另一个用于精确测量距离 的尾数 就可以既扩大测程又保证精度 如果需要还 可以用更多的频率测量 60 相 位 测 量 要测量测距信号 U1 与参考信号 U2 之间的相位差 1 滤波 取出调制波 频率低 的信号 2 混频 把调制波信号与 本振 信号混合 经处理后可以得 到频率更低 以便于更精确测量相位差 但相位依旧的差 分信号 61 相位测量 3 把正弦

13、波处理成方波 4 把U1和U2分别接在门 电路的两个触发器上 U2负跳变时把与门 打开 U1负跳变时把 与门关闭 在门开启 的这段时间内让计数 脉冲通过 从而可以 测得 62 63 内光路 当内光路棱镜移到出 光口时测量到内光路的 距离 移开内光路棱镜后测量 到外光路的 距离 外光路 距离 减去内光 路 距离 后才是需要测 量的距离 这是消除仪器系统误差 的重要措施之一 64 电磁波测距 成果的处理 1 仪器常数改正 乘常数改正数 加常数改正数 2 气象改正 3 倾斜改正 65 一 乘常数改正 电磁波测距好象是用电子尺丈量的 如果电子 尺不准就会产生系统误差 这就是乘常数 乘常数主要是由调制频

14、率偏离设计值引起的 乘常数是尺度比例系数 可以经检定求得 电磁波测距成果的处理 66 二 加 常 数 测距仪的机械中心与调制波发射和接收的等效面 不一致 测距仪的机械中心与内光路等效面不一 致使仪器产生 与所测距离长短无关的 加常数 加常数通过检定可以求得 67 电磁波测距成果的处理 3 气象改正 电子尺长是光速的函数 而光速又是折射率的函数 空气的折射率首先与波长有关 物理学家测算得 68 3 气象改正 空气的折射率也与气象条件有关 仪器制造者根据仪器所用电磁波的波长并顾及一般工作时的 参考温度及标准气压的湿度设定空气的折射率 如果实际工作时的大气条件与此参考条件相同 就不加气象 改正数 否

15、则要相对于参考折射率加改正数 69 测距时的大气压力与空气温度测量设备 70 测距时的大气压力与空气温度测量设备 71 n高端全站仪简介 n索佳超站仪SET3110MV 72 在全站仪的基础上增加摄像部 测角精度为 3 测距精度为2mm 2ppm 测程为1 6km 单棱镜 和80m 反射片 摄像部有两个38万像素的广角和聚焦CCD 广角CCD搜索棱镜 分辨率小于2 近焦CCD聚焦望远镜视准轴于棱镜中心 分辨率小于5 光线昏暗时 可打开仪器的发光二极管 发射白色亮光照亮现场的反射目标 使其影像清晰地显示在屏幕上 无水平 垂直微动螺旋和目镜 不能手动操作望远镜观测目标 只能通过摄像部对目标拍摄的图

16、像进行自动照准 仪器能自动照准棱镜并对焦 也可以切换到手动对焦状态 73 聚焦视准和广角CCD切换 广角 CCD 用于搜寻棱镜 17 35M像素 聚焦视准 CCD 用于棱镜测量 47 35M像素 74 聚焦CCD照准 75 图像 1 广角 70m 视准 广角 131m 视准 76 广角 517m 视准 广角 1073m 视准 图像 1 77 使用屏幕右边的控制块切换到视准CCD照准手动对焦 广焦 CCD 观测完毕后自动切换到视准CCD 并自动对焦 自动对焦棱镜 78 无须触摸仪器 所有的测量都可以通过屏幕遥控实 现 控制点测量 79 控制点测量 80 发射白色亮光照亮现场反射目标 81 观测影像和数据通过有线电缆 无线通讯 如传呼机 手机等 或经由互联网同步传输到任何具备条件的计算机 或手持电脑上 用电缆将仪器的RS232C接口和摄像信号接口 分别与计算机通讯口连接 现场目标的影像实时显示在PC机屏幕上 用鼠标操作软件即可对现场目标进行观测 可与索佳变形监测应用程序控制系统 MOS 组成超站仪定点观测系统 通过程序控制仪器在指定的时间段里 不间断地对一系列指定目标自动锁定观测 超站仪定