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1、任务24精密测距任务2-4 精密测距一、电磁波测距随着近代光学、电子学的发展和各种新颖光源的出现，物理测距技术得到迅速发展，出现了以激光、红外光、微波等为载波的电磁波测距仪。电磁波测距英文缩写为EDM，是利用电磁波作为测距信号和载波进行长度测量的一门技术。电磁波的波谱包括：无线电波（含微波）、红外光、可见光、紫外光、X射线和射线等。与钢尺量距和视距法测距相比，电磁波测距具有测程远、精度高、作业快、受地形限制少等优点。1.电磁波测距的基本原理电磁波测距是通过测定电磁波波束在待测距离上往返传播的时间来确定待测距离的。如图227所示，欲测量A、B两点间的距离D，在A点安置电磁波测距仪主机，在B点安置
2、反光镜或副机，主机发出的电磁波经反光镜或副机接受转发，又返回到主机。设光速c为已知，如果电磁波在待测距离D上的往返传播时间为 t，则距离D为（219）式中：c为电磁波在测线上的传播速度，约等于3108m/s;T为电磁波在被测距离上往返一个来回所用的时间。 c t D = 1 2 不难看出，利用电磁波测距，只要在测程范围内，中间无障碍，任何地形条件下的距离均可测量。因此，在大地测量、地形地籍测量，以及其他测量中广泛的应用着各种类型的电磁波测距仪。电磁波测距按测量测距信号往返传播时间t的方法不同，分为脉冲式测距和相位式测距。用直接测定t求得距离的方式称为脉冲式测距；用间接测定t求得距离的方式称为相
3、位式测距。具体原理如下：1）脉冲式测距基本原理脉冲式测距就是由测距仪发射系统发射一种脉冲波，被目标反射回来，再由仪器接收器接收，仪器的显示系统显示出光脉冲往返传播的时间t，或直接显示距离。目前脉冲法测距仪，一般用固体激光器作光源，能发射出高频率的光脉冲，因而这类仪 器可以不用合作目标（如反射器），直接用被测目标对光脉冲产生的漫反射进行测距，在地形测量中可实现无人跑尺，从而减轻劳动强度，提高作业效率。特别是在悬崖陡壁的地方进行地形测量，这种仪器更具有实用意义。脉冲式测距的主要优点是测程远，功耗小，但由于脉冲宽度和计数器时间分辨能力的限制，直接测定时间一般达到10s8s，相应测距精度为1m5m，精
4、度较低。使其应用于精密距离测量受到一定限制。近年来，脉冲法测距在技术上有了新进展，精度指标有新的突破，如人卫激光测距仪和地月激光测距仪就属于脉冲法测距仪。现在已经有多个厂家生产出了用于常规测量，精度达到2mm+(12)106D的脉冲式测距仪。2）相位式测距相位式测距是通过测量连续的调制光波在待测距离上往返传播所产生的相位变化来间接测定传播时间，从而求得被测距离。相位式测距与脉冲式测距相比较，主要优点是测距精度高，一般可达12cm，所以相位式测距在精密距离测量中获得广泛应用。二、电磁波测距仪1.测距仪的种类目前，由于电磁波测距仪的迅速发展和新产品的不断问世，电磁波测距仪各类繁多，有多种不同的分类
5、。（1）由于不同频率或波长的电磁波在特性上有很大差异，所以电磁波测距仪按载波源的不同又分为激光测距仪、红外测距仪、微波测距仪三类。其中激光测距仪与红外测距仪又合称光电测距仪。（2）按照测程的长短可分为短程测距仪、中程测距仪和远程测距仪。短程光电测距仪：测程在3km以内，测距精度一般在lcm左右。这种仪器可用来测量三等以下的三角锁网的起始边，以及相应等级的精密导线和三边网的边长，适用于工程测量和矿山测量。这类测 程的仪器很多，如瑞士的ME3000，精度可达（0.2mm+0.5 106 ）；DM 502、 DI3S、DI4，瑞典的AGA112、AGA116，美国的HP3820A，英国的CD6，日本
6、的RED2，SDM3E。中程光电测距仪：测程在315km左右的仪器称为中程光电测距仪，这类仪器适用于二、三、四等控制网的边长测 量。如我国的JCY2、DCS1，精度可达（lOmm+1 106 ），瑞士的ME5000精度可达（0.2mm+0.2106 ）、DI5、DI20，瑞典的AGA6、AGA14A等精度均可达到（5mm+5PPm）。远程激光测距仪：测程在15km以上的光电测距仪，精度一般可达(5mm+1106 ），能满足国家一、二等控制网的边长测 量。如瑞典的AGA8、AGA600，美国的Range master，我国研制成功的JCY3型等。（3）按测距精度（每千米测距中误差）可将测距仪分为
7、、级。电磁波测距仪的标称精度常用下式表示：（226）式中：MD为测距中误差，单位为mm；a为固定误差，单位为mm；b为比例误差系数；D为两点间的水平距离，单位为mm。当D为1千米时，则MD为1千米的测距中误差。按此指标，将测距仪化分为、级，如表212所示：表212 测距仪的精度分级 MD =(a+b10-6 D) 测距中误差（mm）MD5 5 MD 10 10 MD20 测距仪精度等级 （4）按反射目标可将测距仪分为具有漫反射目标（非合作目标即免棱镜）的测距仪、具有合作目标（平面反射镜、角反射镜等）的测距仪和具有有源反射器（同频载波应答机、非同频载波应答机等）的测距仪。三、电磁波测距误差来源及
8、其影响测距误差的大小与仪器本身的质量，观测时 的外界条件以及操作方法有着密切的关系。为了提高测距精度，必须正确地分析测距的误差来源，性质及大小，从而找到消除或削弱其影响的办法，使测距获得最优精度。影响测距的误差，就其方式来讲，有些是与距离成比例的称为比例误差；另一些误差影响与距离长短无关，称其为固定误差。具体如下：1、比例误差的影响由上述可知可，光速值 、调制频率 和大气折射率 的相对误差使测距误差随距离 而增加，它们属于比例误差。这类误 差对短程测距影响不大，但对中远程精密测距影响十分显著。（1）光速值c的误差影响1975年国际大地测量及地球物理联合会同意采用的光速暂定值为c=2997924
9、581.2m/s这个暂定值是目前国际上通用的数值，其相对误差 ，这样的精度是极高的，所以，光速值c对测距误差的影响甚微，可以忽略不计。（2）调制频率 的误差影响调制频率是由仪器的主控振荡器产生的，调制频率误差的来源主要有两个方面：一是装调仪器时频率校正的精确性不够；二是振荡器所用晶体的频率稳定性不好。对于前者，由于是高精度的数字频率计作频率校准的，其误差可以忽略不计。对于后者，则与主控振荡器所用的石英晶体的质量、老化过程以及是否采用恒温措施密切相关。由于红外测距仪中都采用了精粗测定值衔接的运算电路，所以作业前应对它的精测晶振频率进行校正，一般要求 在0.51061.0106范围内。短期内它的影
10、响可以忽略。对于粗测频率，只要求有104的精度，一般石英晶体振荡器均可满足要求。（3）大气折射率的误差影响大气折射率的误差是由于确定测线上平均气象元素（气压、温度、湿度）的不正确引起的，这里包括测定误差和气象代表性误差（即测站与镜站上测定值之平均，经过气象元素代表性改正后，依旧存在的代表性误差）。正确地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，从而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要的。因此，在实际作业中必须注意以下几点：气象仪表必须经过检验 ，以保证仪表本身的正确性。气象代表性的误差影响较为复杂，它受到测线周围的地形、地物和地
11、表情况以及气象条件诸因素的影响。为了削弱这方面的影响，选点时应注意地形条件，尽量避免测线两端高差过大的情况，避免视线擦过水域。观测时 ，应选择 在空气能充分调和的有微风的天气或温度比较稳定的阴天。气象代表性的误差影响，在不同的时间（如白天与黑夜），不同的天气（如阴天和晴天），具有一定的偶然性，有相互抵消的作用。因此，采取不同气象条件下的多次观测取平均值，也能进一步地削弱气象代表性的误差影响。2、固定误差的影响如前所述，测相误差，仪器加常数误差和对中误差都属于固定误差。它们都具有一定的数值，与距离的长短无关，所以在精密的短程测距时，这类误 差将处于突出的地位。（1）对中误差对于对中或归心误差的限
12、制，在控制测量中，一般要求对中误差在3mm以下，要求归心误差在5mm左右。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。（2）仪器加常数误差仪器加常数误差包括在已知线上检定时的测定误差和由于机内光电器件的老化变质和变位而产生加常数变更的影响。通常要求加常数测定误差 0.5 ，此处 为仪器设计（标称）的偶然中误差。对于仪器加常数变更的影响，则应经 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。此外，不同厂家的仪器所配套反射镜也不同，使用时应注意配套。必须代用时，使用之前应该准确测定仪器加常数。（3）测相误差测相误差 是由多种误差综合而成
13、。这些误差有测相设备本身的误差，内外光路光强相差悬殊而产生的幅相误差，发射光照准部位改变所致的照准误差以及仪器信噪比引起的误差。减弱（或消除）这些误差的最好方法就是选择良好的大气条件配置适当的反光镜，可以减少测相误差的影响；此外，观测前要精确进行光电瞄准，使反射器处于光斑中央，以减少照准误差的影响，多次精心照准和读数，取平均后的照准误差可望小于5mm。（4）周期误差所谓周期误差，是指按一定距离为周期而重复出现的误差。它是由于机内同频串扰信号的干扰而产生的。这种干扰主要由机内电信号的串扰而产生。如发射信号通过电子开关，电源线等通道或空间渠道的耦合串到接收部分，也可能由光串扰产生，如内光路漏光而串
14、到接收部分。周期误差可采取测定其振幅和初相而在观测值 中加以改正来消除其影响。四、全站仪精密测距全站仪是将电子经纬仪 、电子测距仪和电子记簿组合在一起，在同一微处理机控制下，在测站上能同时自动测定和显示距离、水平角和垂直角，并能计算地面点的三维空间坐标的仪器。全站仪距离测量必须选用与全站仪配套的合作目标，即反光棱镜。由于电子测距为仪器中心到棱镜中心的倾斜距离，因此仪器站和棱镜站均需要精确对中、整平。在距离测量前应进行气象改正、棱镜类型、棱镜常数改正、测距模式的设置和测距回光信号的检查，然后才能进行距离测量。仪器的各项改正是按设置仪器参数，经微处理器对原始观测数据计算并改正后，显示观测数据和计算
15、数据的。只有合理设置仪器参数，才能得到高精度的观测成果。1.设置大气改正由于仪器是利用红外光测距，光束在大气中的传播速度因大气折射率的不同而变化，而大气折射率与大气的温度和气压有关。仪器设计是在温度T=15，标准大气压P=1013hpa（760mmHg）时气象改正数为0ppm。气象改正数可以输入温度、气压值由仪器自动完成气象改正数的计算和设置，也可以直接输入气象改正数ppm值进行设置。2.大气折光和地球曲率改正仪器在进行平距测量时，可对大气折光和地球曲率的影响进行自动改正。注：通常仪器在出厂时已对大气折光系数进行设置，该仪器出厂时已设置为 =0. 14。 值有0.14和0.2 可选。也可选择关
16、闭。3.设置目标类型全站仪的目标内型可设置为红色激光测距和不可见光红外测距，可选用的反射体有棱镜、无棱镜及反射片。用户可根据作业需要自行设置。使用时所用的棱镜需与棱镜常数匹配。4.设置棱镜常数当用棱镜作为反射体时，需在测量前设置好棱镜常数，一般PC=30mm。一旦设置了棱镜常数，关机后该常数将被保存。5.精密距离测量次数设置按规范要求，精密距离测量通常要求多个测回，因此，在测距前，应对距离测量次数按照规范要求进行设置。当预置了观测次数时，仪器就会按设置的次数进行距离测量并显示出平均距离值。6.测量在上述测距参数等全部设置完成后即可进行精密距离测量。如下图所示，在精确照准棱镜后按【测距】键，即可测距并显示距离值。用户可根据需要选择斜距、平距测量值。五、技能训练全站仪精密距离测量1.实训目的（1）掌握温度计、气压计的正确使用；（2）掌握正确安置测距仪器及反射镜，学会电磁波测距参数的设置
