第04章精密距离测量.ppt

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1、第四章 精密距离测量,安徽理工大学地环院,本章提要 建立高精度平面控制网和进行电磁波测距三角高程时，需要进行精密距离测量。当前，主要采用电磁波测距仪进行距离测量。本章主要讨论中、短程红外光电测距仪的基本原理；电磁波测距仪的误差来源极其影响；地面距离观测值如何归算到椭球面上。目的是解决平面控制网的水平距离观测问题和电磁波测距三角高程测量的斜距观测问题。,第四章 精密距离测量,知识点,(1)概述； (2)电磁波测距基本原理； (3)测距误差来源及其影响 ； (4) 观测结果的化算,习题,4.1 概述,在大地测量中，不管是三角网的起始边，或是精密导线测量的导线边，都需进行高精度的距离测量。在本世纪6

2、0年代以前，采用一种膨胀系数极小的合金因瓦(其膨胀系数a=0.510-6)制成的线尺，即因瓦线尺来丈量，我国大地网的起始边大多数就是采用24m因瓦线尺用悬空丈量的方法测定的。作业时先在地面选择一合适的地段直接丈量出一条较短的边，这条短边称为基线。然后通过构成一定几何图形的基线网，推算出三角网的起始边长。直接丈量短边的工作称为基线测量。,用因瓦线尺丈量距离不仅进度缓慢，且耗费大量的人力和物力，所以在三角测量中，总力求少作距离测量，尽可能利用角度观测值来推求距离。这样由于边长误差的积累，将有碍于三角网精度的进一步提高。 近三十年来，随着无线电技术的迅速发展，光电测距仪和微波测距仪的先后问世，并不断

3、更新、完善和愈益精密，逐步取代了因瓦基线尺而成为精密距离测量的主要工具，为提高大地测量控制网的精度展示了广阔的前景。但在检定电磁波测距仪时，其标准长度目前还是用因瓦线尺多次丈量求得。另外，在某些特殊要求的精密工程测量中，往往也还需要用因瓦线尺来丈量(有关内容请参阅应用大地测量学)。,电磁波测距仪就是利用电磁波来测量距离的仪器。根据仪器所用载波的性质不同，一般可分为两大类：微波测距仪和光波测距仪，前者以微波为载波，后者以光波为载波。在光波测距仪中，又有用普通光、红外光和激光的不同仪器。对于后两种，习惯上又分别叫做红外测距仪和激光测距仪。 大地测量要求高精度的距离测量，因此只采用高精度的光波测距仪

4、，我们把这样的光波测距仪称为精密光波测距仪。本章将介绍这类仪器的测距原理、使用方法，同时还讲述测距的成果处理、误差分析和仪器检验。,4.2 距离测量方式及其原理,一、长度基准 所有距离的测定结果，都必须用一种统一的、固定的长度单位来表示，这种统一的、固定的长度单位就是长度基准。 1国际长度基准 具有国际统一性的长度单位，是从1875年国际米制公约的建立开始的。当时规定，通过巴黎的地球子午线的四千万分之一的长度为lm。在1889年的米制公约国际计量大会上通过决定，用铂铱合金米尺上两条刻线间的距离作为lm的定义值。这根米尺称为国际米原器，它安放在法国巴黎国际计量局的地下室内。各国都保存着一支它的复

5、制品，作为传递长度的标准。,国际米原器作为米基准一直延用了71年，它的相对精度为千万分之一左右。到了20世纪中叶，这个精度就显得不够用，不能满足精密机械制造等行业的要求，影响科学技术的发展。 为了把最高长度基准长期保存下来，物理学家提出利用原子辐射的波长值代替国际米原器作为米定义的新建议。1960年召开的国际计量大会通过米的定义为：“米等于氪-86原子的2P10和5d2能极间跃迁辐射真空波长的1650763.73倍的长度。”,根据上述定义，lm的精度为十亿分之四，它意味着1000km的长度测量中误差4mm。 1967年，秒的定义也由地球自转一周的八万六千四百分之一改为“秒是铯-133原子基态的

6、两个超精密能极之间跃迁辐射的9192631770个周期的持续时间。”在此基础上，1983年10月20日，在法国巴黎举行的第17届国际计量大会上，再次通过了米的新定义：“米是光在真空中，在1299792458秒的时间间隔内所经过的距离。” 新的米定义特点是：把真空中的光速值作为一个固定不变的基本物理常数，长度测量可通过时间或频率测量间接导出，从而使长度单位和时间单位结合了起来。,2我国的长度基准 我国计量法规定，长度计量单位采用国际通用单位：m。为了统一国内尺度并便于国际上的交流，还需要建立相应的长度基准及其传递系列，以保证精度从高到低地复现长度基准，实现长度基准的传递，达到统一尺度的目的。 我

7、国原有两支lm因瓦合金杆尺R16l和N563，50年代在苏联检定了它们的长度。以后在我国计量科学院用光波波长通过100mm石英标准具逐年检定它们，这两支杆尺就成为我国的长度基准。1959年我国又从苏联引进了一支3m工作基准尺C10，作为国家大地网中使用的24m基线尺的长度基准。,目前，氪-86长度基准和氦氖激光长度基准是我国两项最高长度基准，其极限误差分别为ll0-8和410-9；一等标准是3m一等因瓦标准尺，极限误差为0.8m，相对中误差为0.9X10-7；二等标准是24m因瓦标准尺，极限误差为20m，相对中误差为2.8X10-7；三等标准是测距仪专用野外基线，相对中误差为(0.41)X10

8、-6。,二）距离测量的方式 距离测量的方式包括光学视距、线尺量距、电磁波测距等。其中使用基线尺量距、光干涉测距和电磁波测距仪测距精度较高，可称为精密距离测量。,(一)用因瓦基线尺丈量距离 因瓦基线尺是用含铁约64、镍约36的合金钢制成的。它的热膨胀系数非常小，是精密量距的理想工具。因瓦基线尺有线尺和带尺两种。线尺的直径1.65mm，长24m。每箱线尺通常备有4根主尺，另外配备一根用于丈量不足一整尺段的8m或4m的补尺。 一般每期作业前应对基线尺检定一次。检定其尺长改正数及其温度系数。检定可在室内用专门的检定器进行。对于低等级基线所用的基线尺，常采用野外检定的方法，在专门的基线检定场上进行。,丈

9、量基线是在较为平坦的地面上，用因瓦基线尺一尺接一尺地悬空丈量两点的基线长度。丈量时，尺的两端施以一定的拉力，丈量的结果中加上相应的尺长改正、温度改正、悬链线改正等项改正后，能够达到几十万分之一到一百万分之一的相对精度。为了将每一尺段丈量的结果换算为水平长度，在丈量前还应对尺段两端点用水准测量的方法测定其高差。对测量的结果进行倾斜改正，得到沿基线平均高程面上的水平长度。这个长度还要根据不同要求归化到所选择的椭球面和高斯投影平面上。,(二)光干涉测距 光干涉测距是以lm石英标准杆尺为基准，将光源分成两路，一路在lm基准长度上多次倍乘反射，另一路拉长距离，根据两路返回光所产生的光干涉条纹，将lm基准

10、长度倍乘若干倍，从而获得新的已知更长的基准长度，并按同样的方法倍乘，达到精密测距的目的。芬兰曾用此法测得维塞拉干涉基线，据资料说明可达10-7精度。我国已用国产干涉基线测量仪测定高精度的野外长度基准。,基线尺量距虽然精度很高，但都要求地面平坦，丈量工作繁重。对于两山之间、两岸之间、高楼之间的距离就更无法丈量了。20世纪50年代以来发展起来的红外测距技术、微波测距技术和激光测距技术，统称为电磁波测距技术，为精密测距开辟了广阔的前途。电磁波测距仪可测量两个通视点间的任何距离，短到几米，长达几十公里，精度可达10-510-6，可满足控制测量、工程测量以及其它各种距离测量的需要。现在，种类繁多的红外测

11、距仪配上电子测角系统组成电子全站仪，可自动完成测角、测距、归算，记录和传输，使野外测量数据采集自动化，大大减轻劳动强度，提高了作业精度和速度。,（三）电磁波测距基本原理 1.电磁波测距基本原理公式 设电磁波在大气中传播速度为c，当它在距离D上往返一次的时间为t，则有：,上式为电磁波测距基本原理公式。 测定t方法有直接测时间接测时。,直接测时一类测距仪称为脉冲式测距仪，该仪器因其精度较低，通常只用于精度较低的远距离测量、地形测量和炮瞄雷达测距。,微分上式 ：,换成中误差,一般只能达到,设,则,要求,现有的精密光电测距仪都不采用直接测时的方法，而采用间接测时，即用测定相位的方法来测定距离，此类仪器

12、称为相位式测距仪。它是用一种连续波（精密光波测距仪采用光波）作为“运输工具”（称为载波），测距时，通过测量调制波在待测距离上往返传播所产生的相位变化，间接地确定传播时间t，进而求得待测距离D。,2.测距仪的分类和分级 分类 按测定t的方法,按测程 按载波,按载波数 按反射目标,分级 1999年城市测量规范规定，按1km测距中误差(即mD=a+bD，当D=1km时)划分为两级： I级：mD5mm; II级：5mmmD10mm。 a-固定误差(mm),b-比例误差系数(mm/km)，D-测距边长度(km ),3.相位式测距原理公式 设用相位式测距仪测定A、B两点间的距离D(图1)，在A点安置测距仪

13、，在B点安置反射器。由测距仪发射调制光波，射向反射镜后被反射回测距仪接收系统。若调制波往返于距离D所用的时间为t，已知光波在大气中传播速度是c，此时距离D即可按公式计算。,如果把调制波在测线上按往返距离展开，如图所示，调制波回到A点的相位比发出时延迟了角。其大小为： =2ft （1） 式就是相位式测距的基本公式。由该式可看出，相位式测距的原理，犹如用一把半波长(专)的“测尺”或叫“光尺”进行量测，N就是丈量的整尺段数，N就是不足一整尺段的尾数部分。,4.N值解算的一般原理 在上式中u=/2是已知的，N可测出（测相器只能测定余长uN，而不能测出整周数N）但仍有两个未知数，即待测距离D和整周数N，

14、这就使距离产生多值性，如能解出N，距离D就成为单值解。解算N的方法有固定频率方式（直接测尺频率方式和间接测尺频率方式）与变频方式两种。,固定频率方式基本原理是：由于测相器只能测定余长uN，而不能测出整周数N，例如用一个频率测得2.578m，它可以是尾数都是2.578m的若干个大数不同的距离。这好比担任量距的人记不住已经量了多少整尺段，只记得最后不足一个整尺段的余长。显而易见，一个频率的测量只能得到余长而解不出N。如果选择“测尺”（或频率）大于待测距离，则D=uN,这可解出距离D。,但由于测相精度只能达到10-3所以想要用单一频率的测量来获得距离的单值解，则精度和测程就不可能兼顾。微分测距式得，

15、 换成中误差,为解决扩大测程和提高精度的矛盾，既得到距离的单值解，同时具有高精度和远测程，相位式测距仪一般采用一组“测尺”共同测距，即用精测频率测定余长以保证精度，设置多级频率（粗测频率）来解算N而保证测程，从而解决“多值性”问题。,(1)直接测尺频率方式,在红外测距仪中，大多采用直接测尺频率的方式。它是在仪器中设置2个或3个固定不变的测距频率，其一为“高频”，又叫精测频率；其余为“低频”，又叫粗测频率。利用这些固定频率测距时可直接确定N值。例如设置: 精测频率 f1=15MHz，对应测尺长10m 粗测频率 f2=150kHz，对应测尺长1000m,我们用1/2去测量相应于1的距离，即测出小于

16、10m的米位、分米位、厘米位及毫米位数，测相精度一般为1；用2/2去量测相应于2的距离，即测出百米位、十米位、米位及分米位数。使这二者所测结果衔接起来，就得到完整的距离读数。比如，测量386.574m这段距离，用1/2去测量相应于6.574m的距离，用2/2去量测相应于386.5m的距离，组合起来得到完整的距离。 这样，较短的测尺(或称精测光尺)保证了测距精度，较长的测尺(或称粗测光尺)保证了必要的测程。,(2)间接测尺频率方式,上述各直接测尺频率彼此相差较大，测程愈长时，精、粗测尺频率相差更悬殊，这使电路中放大器的增益和相对稳定性难于一致。所以，在一些远程的激光测距中改用一组数值上比较接近的

17、测尺频率，利用其差频频率作为粗测频率，间接确定N值，从而得到与直接测尺频率方式相同的效果。,例如，有一段距离为1234567m，用10m的尺子(相应于f1=15MHz的频率工作)去量，只能读得10m以内的数576(相位显示读数一般为3位)，即为5.67m，这对于测距精度是满足了。为了进而决定10m以上的位数，可以将尺长逐级增大，组合起来共同确定。如以表所示的5种频率测距时，则用直接读数之差NlNi来计算波长数N，逐级组合即可测得所测距离为12345.67m。,由表还可看出，这种方式中各测尺频率的最大差值仅1.5MHz，这样不仅放大器能对各频率获得相近的增益，调制器对各频率的相移也较稳定，而且各

18、频率石英晶体的类型也可以统一。所以，在远程激光测距仪中，间接测尺频率方式有着广泛的应用。,4.3 光电测距误差分析,一）测距误差的种类 相位式测距的基本公式可以写为 上式中，真空中光速值c0和调制频率f是已知量，它们的数值本身存在一定的误差；大气的群折射率n和相位 是测定值，也存在测定误差。因此，距离D的误差是由c0、n、f、 的误差决定的。如果用中误差表示它们之间的关系，则由协方差传播律可得,式表明，测距误差是光速c0误差、大气折射率n的误差、调制频率f的误差、测相误差等各种误差的联合影响。事实上，除上述误差外，测距误差中还包含：仪器加常数测定误差、对中或归心改正误差、由高差误差引起的距离误

19、差、仪器内部信号之间的串扰所产生的与距离成周期变化的误差-周期误差mR。,于是上式可以写为 上式中的误差可以分作两类：一类是与距离成比例增大的，我们称其为比例误差，如mc0、mn、mf：另一类是与距离无关的，我们称其为固定误差，如m 、mk、me。因此测距仪的标称精度表达式可以写成 mD=a+b*D,式中 mD测距中误差，mm； a固定误差，mm； b比例误差系数，mmkm D距离值，km。 下面具体说明各项误差的来源性质及其影响,二）比例误差 1真空中光速c0的误差 真空中的光速是物理学中的一个重要常数，很多国家的研究单位对它进行过多次测定。1975年国际大地测量及地球物理协会联合采用c02

20、99792458+1.2(ms)。这是目前国际上通用的数值，其相对误差m/c4X10-9，所以精度较高，它对测距误差的影响甚微，可以忽略不记。,2、大气折射率n的误差 已知大气中的光速为c=c0/n，可见大气折射率的变化将使光在大气中的传播速度发生变化，从而影响测尺长度，引起测距误差。 因为大气折射率是由空气的密度及大气内所含的水分决定的。而空气的密度又与气温气压有关，所以大气折射率n是气温t、气压p及湿度e的函数。根据公式（=1/273.16）,对t、p、e求偏微分，并以一般气象条件(t20，p760mmHg，e10mmHg)代入得,可以看出，在一般气象条件下，对于lkm的距离，温度变化1所

21、产生的测距误差为0.95mm；气压变化lmmHg所产生的测距误差为0.36mm；湿度变化lmmHg所产生的测距误差为0.05mm。三者之间的比率约为19:7.4:1。,假如计算n的公式正确无误，这时引起的大气折射率n产生误差的原因，一是气象参数(t、p、e)的测定误差；二是测站上测得的气象参数不能代表整个测程的气象参数所产生的气象代表性误差。至于测距时的实际气象条件不同于仪器设计时选用的基准气象条件所引起的折射率变化，可以用加入气象改正数的方法加以消除。,从前面的误差分析来看，在测程较长、精度要求较高的情况下，应该正确地测定测站和镜站的气象参数，使用的大气折射率与全测程的实际数值尽量相近。为此

22、实际作业中应该注意以下两点： 第一，为保证气象仪表本身的正确性，必须经过检验。作业时，要提前按规定将气象仪表安放于无阳光照射的通风处。同时，为保证1X10-6的测距精度，测定温度的精度要高于0.5，测定气压的精度要高于lmmHg。,第二，气象代表性的误差影响较为复杂，它受测程附近的地表地形情况以及气象条件诸因素的影响。为了减弱这些因素的影响，测距边应尽量避免两端高差过大，避免视线通过水面；观测时，应选择在空气能充分调和的微风之天或温度比较均匀的阴天。当需要较高的观测精度时，可以采取不同气象条件下的多次观测。因为气象代表性误差的影响，在不同的时间，不同的天气，具有一定的偶然性，这样可以起到相互抵

23、偿的作用。,3调制频率f的误差 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，由于是用高精度的数字频率计作频率校准的，其误差可以略而不计。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mf/f在(0.5-1.0)X10-6范围内。短期内它的影响可以忽略。对于粗测频率，只要求有10-4的精度，一般石英晶体振荡器均可满足要求。,三）固定误差 固定误差通常都具

24、有一定的数值，与测程无关。测程较长时，比例误差占主要地位，而测程较短时，固定误差可能处于突出地位。 (一)相位差的测定误差 相位差的测定误差简称为测相误差。测相误差是制约仪器精度的主要因素之一。在测距误差中，有些是通过检测求出其大小，然后在测量结果中进行校正。但这些误差的检测精度，又要受到测相误差的限制。所以，只有测相精度好的仪器，加之正确使用，才可以取得较好的测量成果。,1测相设备本身的误差 目前，绝大多数红外测距仪都采用脉冲数字式自动测相，它是依靠多次填充脉冲的方法实现的。若时钟脉冲有频率误差，则根据脉冲填充个数计算精测尺长度与实际的精测尺长度就不会相符。此时即使二路信号之间的相位差保持不

25、变，多次测出的数值也不会完全一致，这就是测相设备本身的误差。 这项误差主要与电路的稳定性和测相器件的时间分辨率有关。它的数值一般不会超过1个最小显示单位。测定几组读数取其平均值，就可以减小测相误差的影响。,2幅相误差 在测程不变的情况下，接收信号的强弱不同会使它的幅度发生变化，由此而引起的测距误差称为仪器的幅相误差。它的产生原理可以用图加以说明。图中u1和u2为2个强弱不同因而幅度不同的返回信号，u0为整形电子。由图可见，幅度不同的信号整形后的波形亦不相同，造成充填脉冲的个数发生变化，显示出的距离出现差异。,现在的红外测距仪一般都设有幅度自动控制系统，使距离不同的接收信号幅度保持在一定范围内。

26、来减小幅相误差对观测值的影响。,3发射光束相位不均匀引起的误差照准误差 由于砷化镓发光二极管的空间相位不均匀性，使得发出的调制光束在同一横截面上各部分的相位出现差异。这时，不同的照准部位，会使反射镜位于光束同一横截面上的不同位置，测得的距离就不会相同，这种误差称为照准误差。,照准方向出现偏差，是由于望远镜的视准轴和发射、接收光轴不平行而引起的。所以，在使用仪器时应检查并校正三轴的平行性；在观测时要注意使用固定区域的光。在发光管整个发光区域内，有一区域发出的光比其它区域都强，观测时这一部分的返回信号也最强。因此，使用仪器的水平和垂直微动螺旋使返回信号的指示达到最大就找到了这一区域发出的光，这就可

27、以减弱照准误差的影响。这种照准方法称为“电照准,(二)仪器常数误差 测距仪在已知长度的基线上检测时，已知的基线长度与实测结果之间存在着一个固定不变的常数，通常称其为仪器加常数。,多数仪器的加常数在出厂时已给出并进行了预置。但由于振动等原因，往往使加常数发生变化，所以作业前需要对其进行测定。此外，不同厂家的仪器所配反射镜亦不相同，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。,(三)对中误差 在安置测距仪和反射器时，应使它们的中心位于地面标志中心的铅垂线上，否则将产生对中误差而影响测距精度。为此，对于精密测距，应该用经过检查的光学对点器仔细进行对中。通常情况下，对中的线量偏差不会

28、超过+3mm。,四）周期误差 周期误差是由测距仪内部的光电信号串扰而引起的以一定的距离(通常是一个精测尺长度)为周期重复出现的误差。例如发射的信号通过电子开关、电源线或空间等渠道耦合，串到接收部分，形成相位固定不变的串扰信号。使得相位计测得的相位未必是测距信号的相位，而是串扰信号与测距信号合成矢量的相位。,如图所示，测距信号为El，串扰信号为E2，两者具有相同的角频率，但它们的振幅e1和e2不等，且存在一个相位差，其公式为 E1=e1cos(t+) E2=e2cos(t),若El与E2的合成信号为Ek，其振幅为ek，它与E2存在相位差，于是 Ek=ekcos(t+) =ekcoscost-ek

29、sinsint Ek既然是合成信号，则有 Ek=E1+E2=e1cos(t+)+e2cos(t) =(e1cos+e2)cost-e1sinsint 比较以上两式的系数，可以得出 ekcos=e1cos+e2 eksin=e1sin,以上二式相除得 tan= e1sin/(e1cos+e2) = sin/(cos+k) 式中,k=e2/e1是串绕信号与测距信号强度比。 由下图看出，由于串扰信号而引起的相位误差。,可以画出图所示的曲线。由图可以看出，串扰信号引起的附加相位误差，是随相位角的不同而按照近似于正弦曲线的规律变化的，其周期为2。 应该注意，串扰信号E2的相位一般为固定值，而测距信号E1

30、的相位则随着距离的变化而变化，所以相位误差也将随着待测距离的不同而变化。在自动数字测相的仪器中，相位误差的变化周期相当于一个精测尺的长度(通常为l0cm)。所以，周期误差是一种按一个精测尺长为周期重复出现的误差。,由上式和上图可知，相位误差引起的周期误差大小与强度比k密切相关，串扰信号的振幅e2越大，k值越大，周期误差也就越大。所以要减小周期误差，在制造仪器时应加强屏蔽，尽量减小仪器内部的信号串扰；在使用仪器时，应尽量避免用弱信号测距和避免其它外部杂乱信号的串扰。,通过上述分析可以看出，影响测距精度的因素很多，但其中比较主要的是调制频率误差、照准误差、仪器常数误差以及周期误差。对待这些误差，应

31、该进一步通过仪器检验，客观地发现它们，或者调整仪器，或者加入改正数，以便将它们的影响控制在允许范围之内。,4.4 测距的作业要求和成果换算,各等级平面控制网的边长，多数是采用相应精度的光电测距仪测定。本节讨论测距时的技术要求和测距成果的换算问题。,一、测距作业及有关规定 1测距边的选设 测距边最好是在测距仪最佳测程范围内，测线应高出地面或离开障碍物1.3m以上，离开高压线25m，避免通过发热体(如散热塔、烟囱等)和较宽水面的上空，背景应避免有反光物体。另外，在测距过程中，应尽量避开外界的电、磁场和光反射的干扰，为测距提供良好的外界条件。 选择测距边时其倾角不宜太大。根据公式可知，测距边倾角太大

32、，将直接影响倾斜改正的精度。如果测距边倾角较小，则垂直角观测误差、仪器误差、垂线偏差等项影响均相应减小。,2测距作业技术规定 就适用而言，当测距长度为lkm时，仪器按其精度分级为 级mD5mm 级5mmmD10mm 级10mmmD20mm 对于不同等级的平面控制测量，应选用相应精度等级的测距仪，规定出不同的技术要求，如表。,式中 a-仪器标称精度中的固定误差； b-标称精度中的比例误差系数，mmkm。 按上式作往、返较差比较时，必须将斜距换算为同一高程面的平距后才能进行比较。,当测距边垂直角不大时，由高差测定误差mh而引起的距离改正误差（h/D)mh中，h之值远比D值小得多，所以高差测定误差影

33、响距离倾斜改正误差就更微小。为测距边倾斜改正而进行垂直角观测时，可按五等光电测距三角高程测量有关规定放宽1倍执行。,当观测四等及其以上距离时，应量取两端点的观测始末的气象数据，计算时取始末之平均值。 3测距作业中的注意事项 (1)观测作业应在大气稳定和成像清晰的气象条件下进行，在雾、雨、雪天气及大气透明度很差的情况下不应作业。在测距过程中，如遇大风或大气湍流影响严重时(这时信号指针颤动厉害)，应停止观测。 (2)到达测站后，应立即打开气压计的盒子，置平气压计，避免日晒。温度计应悬挂于离地面1.5m左右、不受日光辐射影响和通风良好的地方，待气压计和温度计与周围温度一致后，才能正式测记气象数据。,

34、(3)测距时，一般应按仪器性能和测程范围使用规定的棱镜个数。作业中使用的反射镜，应与检测时所用反射镜相同。仪器测距时，避免有另外的反光体位于测线或测线延长线上，避免有物体在测线上晃动，或人在测线上走动。 (4)仪器测距时应暂停无线通话，以免干扰。 (5)在晴天作业时测距仪和反射镜均须打伞，主要电子附件亦应防止曝晒。严禁将仪器照准头对向太阳。架设仪器后，测站、镜站不准离人，仪器应由专人保养看护。观测人员应严格按照仪器说明书中规定的操作程序进行作业。,二、距离观测值的改正计算 直接观测值的改正计算，是将野外观测值加入各项改正数，换算为仪器中心至反射镜中心的斜距。以下分别介绍各项改正的意义、公式和计

35、算方法。 1气象改正 现代生产的红外测距仪，一般都设有自动气象改正装置。只需根据实地测出的气温t和气压p，将测量数据输入，仪器就能自动进行改正。,2周期误差改正 仪器出厂时，通常都是将周期误差调整到仪器额定的测距中误差的50以内。实际上，有些仪器超过其限定的数值。 经过检测若发现周期误差较大，例如，当振幅A超过固定误差的一半时，可在测距成果中进行周期误差改正，其公式为,3仪器常数改正 加常数改正值，由仪器检测结果得出。由于该值与距离无关，所以直接加在观测结果中即可(Dk=K)。 测距仪加常数和乘常数修正值的计算： 加常数修正值： Dk=K 乘常数修正值： DR=R*D 式中：K测距仪的加常数，

36、mm； R测距仪的乘常数，mm/Km。,测距仪的加、乘常数是由测定多条已知距离，经过频率、气象、周期误差修正后计算出来的。其值由检定证书给出。 在测距仪检定中，若距离进行了频率改正后，多段归算结果，乘常数 |R|1*10-6 ，应首先检查气象元素取样是否正确，测频和公式应用是否有误，若以上正常，应在不同基线段或不同基线场上进行比测。测试结果和上述结果一致时，所测乘常数有效。频率和乘常数改正同时进行。 若距离进行频率改正后，归算结果，乘常数|R|1*10-6 ，则只进行频率或乘常数单项改正。,4频率改正 如果由经过检验的实际测尺频率f与标准测尺频率f0计算的频偏度: （f0-f)/f01*10-

37、6时，应对测距结果加入频偏改正: 频率变化对距离的影响是系统性的。,三、测距成果的换算 经过上述改正后的斜距，还需要换算到两标石中心投影至椭球面上的水平距离。 1.斜距换算至标石中心的改正归心改正 我们知道，控制测量的一切成果都是以标石中心为依据的。可是在测定距离时，因某种原因仪器中心或反射镜中心未必对中于标石中心，这时所进行的观测称为偏心观测。将偏心观测的距离换算成标石中心之间距离所加的改正数称为归心改正数。,2.斜距化成平距的计算 如图所示，设野外测定的距离为d，它是在测站A和镜站B不等高的情况下得到的。将斜距d化为平距时，首先要选取平距所在高程面，高程面不同，平距值亦不同。这里讨论将d化

38、为A、B平均高程面上的平距。这对于以后的换算和往、返观测的较差检核，都是便利的。,在控制测量中，距离d通常不超过lOkm，它与地球半径相比较是一个微小量，所以可以把这一部分的椭球面视作圆球面，圆球的半径就用测距方向的地球椭球曲率半径RA代替。图中，a和b是A和B在球面上的投影，A点和B点的大地高分别为H1和H2。,如果过A点作直线AE交OB于B，使AE/ab，BEAE，取BB的中点为B，作AB/ab。由于/2极其微小，故可视BE=BB=H2-H1=h。由图可以证明，A、B平均高程位置的平距s=AB=AE，亦即,3.平距化至椭球面的计算 按照我国现行测量规范的规定，所有控制测量的观测成果都需要归

39、化到椭球面上。为此尚应将平距换算成椭球面上的相应长度S,1）求椭球面上两点间的弦长S。 2）由弦长S。求弧长S,最后指出，如果测区控制点按正形投影计算其在60带或30带中的平面直角坐标，尚需将椭球面上的长度换算至高斯投影平面，此时应加入由下式计算的改正数 式中 ym距离两端的高斯平面横坐标自然值的平均值； R测站点椭球平均曲率半径。,四、测距边长精度的评定 三、四等边长测量，各测距边均往、返观测。因此在一个测区进行同一等级边长的测量时，可以根据各边往、返测的距离较差di算出单位权中误差，进而计算各边的实际测距中误差。,例：用一台标称精度为(3+2*D)的全站仪测得三等导线点A、B的往、返测的偏

40、心距离观测值及相应的偏心元素分别为：往测2678.123m，e1.250m，6015；返测2678.130m,e=1.250m，6015。其他有关数据及参数为：HA=70.553m，HB=81.942m，Rm=6368192m，yA66164m，yB67780m(yA、yB为自然值)，hm=45m,平均仪器高度1.5m，K+10mm,R=-6ppm,A=5mm,0=352350,本测区n25，Pdd35.1286。试计算高斯平面上对应于AB的长度，并进行有关的检核及精度估算。,4.5 相位式光电测距仪的工作原理,相位式光电测距仪的工作原理,相位式光电测距仪各主要部件的工作原理简介,光源 相位式

41、测距仪的光源，主要有砷化镓（GaAs）二极管和氦-氖（He-Ne）气体激光器。前者一般用于短程测距仪中，后者用于中远程测距仪中。 调制器 采用砷化镓（GaAs）二极管发射红外光的红外测距仪，发射光强直接由注入电流调制，发射一种红外调制光，称为直接调制，故不再需要专门的调制器。但是采用氦氖激光等作光源的相位式测距仪，必须采用一种调制器，其作用是将测距信号载在光波上，使发射光的振幅随测距信号电压而变化，成为一种调制光。 棱镜反射器 在使用光电测距仪进行精密测距时，必须在测线的另一端安置一个反射器，使发射的调制光经它反射后，被仪器接收器接收。,相位式光电测距仪各主要部件的工作原理简介,光电转换器件

42、在光电测距仪中，接收器的信号为光信号。为了将此信号送到相位器进行相位比较，必须把光信号变为电信号，对此要采用光电转换器件来完成这项工作。用于测距仪的光电转换器件通常有光电二极管，雪崩光电二极管和光电倍增管。 差频测相 目前相位式测距仪都采用差频测相，即就是使高频测距信号和高频基准信号在进入比相前均与本振高频信号进行差频，成为测距和基准低频信号。在比相时，由于低频信号的频率大幅度降低（如精测尺频率为15MHz，混频后低频为4kHz时，降低了3750倍），周期相应扩大，即表象时间得到放大，这就大大地提高了测相精度。 自动数字测相 随着集成电路和数字技术的发展，为测距仪向自动化和数字化方向发展提供了

43、条件。目前许多中、短程测距仪几乎都采用自动数字测相技术以及距离的数字显示。,4.6 电子全站仪,全站仪的概念 ： 把电子测距、电子测角和微处理机结合成一个整体、能自动记录、存储并具备某些固定计算程序的电子速测仪 ，因该仪器在一个测站点能快速进行三维坐标测量、定位和自动数据采集、处理、存储等工作，较完善地实现了测量和数据处理过程的电子化和一体化，所以称“全站型电子速测仪”，通常又称为“电子全站仪”或简称“全站仪”。,全站仪的基本组成及结构 ： 全站仪的基本组成,全站仪的基本结构 组合式全站仪：组合式结构的全站仪是由测距头、光学经纬仪及电子计算部分拼装组合而成。 整体式全站仪:整体式结构的全站仪是

44、在一个机器外壳内含有电子测距、测角、补偿、记录、计算、存储等部分，将发射、接收、瞄准光学系统设计成同轴，共用一个望远镜，角度和距离测量只需一次瞄准，测量结果能自动显示并能与外围设备双向通讯。,组合式全站仪,整体式全站仪,全站仪的精度及等级,全站仪的精度 全站仪是由光电测距、电子测角、电子补偿、微机数据处理为一体的综合型测量仪器，其主要精度指标是测距精度和测角精度。如SET500全站仪的标称精度为：测角精度=5；测距精度=（3+2ppmD）mm。,全站仪的等级 国家计量检定规程（JJG10094）将全站仪准确度等级分划为四个等级。,电脑全站仪的主要特点,1）电脑操作系统。电脑全站仪具有像通常PC

45、机一样的DOS操作系统。 2）大屏幕显示。可显示数字，文字，图像，也可显示电子气泡居中情况，以提高仪器安置的速度与精度，并采用人机对话式控制面板。 3）大容量的内存。一般内存在IM 以上，其中主内存有640K。数据内存320K，程序内存512K，扩展内存512K。 4）采用国际计算机通用磁卡。所有测量信息都可以文件形式记入磁卡或电子记录簿，磁卡采用无触点感应式，可以长期保留数据。 5）自动补偿功能。补偿器装有双轴倾斜传感器，能直接检测出仪器的垂直轴,在视准轴方向和横轴方向上的倾斜量，经仪器处理计算出改正值并对垂直方向和水平方向值加以改正，提高测角精度。 6）测距时间快，耗电量少。,全站仪操作应

46、注意事项,理解全站仪的概念 了解工作原理 明确测量功能 熟悉操作步骤 合理设置仪器参数 正确选择测量模式 掌握应用技术,距离测量,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。,全站仪在高程测量的应用,全站仪三角高程测量的技术指标,注：1.D为测距边长度，

47、以千米（km）为单位 2.边长大于400m时，应考虑球气差的影响,基本原理,图中是高程已知的水准点，是待测点，是高程路线的转点，1,2,3,4为全站仪的设站位置。 因为用全站仪可以直接读取全站仪中心到棱镜中心的高差，因此有：,同理可得：,用全站仪代替水准仪进行高程测量应满足的条件: （1）全站仪的设站次数为偶数，否则不能把转点棱镜高抵消掉； （2）起始点和终点的棱镜高，应保持相等； （3）转点上的棱镜高在仪器搬动过程中保持不变； （4）仪器在一个测站的观测过程中高度保持不变。,精度分析,垂直角和水平距离观测误差对观测高差的影响,地球曲率和大气折光的影响,水准测量要求前后视距相等主要是为了抵消角

48、误差，同时也为了削弱地球曲率及大气折光的影响，用全站仪代替水准仪测量时，可以设置大气折光系数（一般取0.12），有仪器自动对地球曲率及大气折光的影响进行改正。如果把视距控制在200左右，前后视距差在3之内，影响可以忽略不计。,棱镜沉降、仪器沉降、棱镜倾斜的误差,与水准仪测量类似，用全站仪代替水准仪进行高程测量时同样存在棱镜沉降、仪器沉降的影响，观测时必须采取一定的措施来减弱或消除。 棱镜沉降主要发生在仪器的转站过程中，提高观测速度、采用往返观测的方法也可以抵消部分影响。 仪器沉降主要发生在一个测回的观测过程中，在一个测站上要变换仪器高观测两个测回，第二测回和第一测回采用相反的观测次序，即“后前前后”或“前后后前”，可以有效的减弱仪器沉降的影响。 觇标倾斜的影响与水准测量时水准尺的倾斜相似，只要仔细检验对中杆上的圆水准气泡，在立杆时保证气泡居中就可以消除此影响。,竖直度盘指标差的影响,水准测量时主要存在角误差的影响，为了消除角误差对水准测量的影响一般要求前后视距相等。用全站仪观测时，类似的误差是竖直度盘指标差，如果只用正镜或倒镜观测，该项误差的影响不容忽视。但是只要采用正倒镜观测，就可以抵消指标差的影响。,垂直轴倾斜误差的影响,全站仪能够进行垂直轴倾斜的自动补偿，并且补偿后的精度能达到0.1，影响甚微。因此，垂直轴倾斜误差的影响可以忽略不计。,垂线偏差的影响