精密電磁波測(cè)距方法課件

大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)5.7精密的電磁波測(cè)距方法大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)5.7精密的電磁波測(cè)距方法測(cè)距方法有：

分劃尺比對(duì)、視距測(cè)量、電磁波測(cè)距（微波、激光或紅外）以及全站型電子速測(cè)儀等。大地測(cè)量中，為了推算控制點(diǎn)坐標(biāo)，必須測(cè)定網(wǎng)中少量邊長為起始邊長，并作為網(wǎng)中的尺度基準(zhǔn)。（基線邊）精密測(cè)距方法：20世紀(jì)50年代：銦瓦線尺丈量；70年代后：精密電磁波測(cè)距；近10余年：GPS測(cè)量（中、遠(yuǎn)距離測(cè)量）。本節(jié)介紹精密電磁波測(cè)距的基本原理、測(cè)距成果處理以及誤差分析等。測(cè)距方法有：大地測(cè)量中，為了推算控制點(diǎn)坐標(biāo)，必須測(cè)定網(wǎng)中少量銦瓦基線尺與電磁波測(cè)距儀軸桿架銦瓦基線尺與電磁波測(cè)距儀軸桿架衛(wèi)星激光測(cè)距儀衛(wèi)星激光測(cè)距儀國際長度基準(zhǔn)

國際米原器——1889年以來，國際米原型尺：過巴黎地球子午線的四千萬分之一的長度；1960年10月新米定義：氪-86原子輻射波長的1650763.73倍的長度；1975年8月，重新定義，采納：甲烷線波長的294791.21倍為米長度。現(xiàn)行“米”的定義：1983年10月召開的第十七屆國際計(jì)量大會(huì)上，通過米定義：“光在真空中1/299792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)所行進(jìn)路程的長度”。我國采用國際適用單位m。國際長度基準(zhǔn)電磁波測(cè)距的兩種方式：1）脈沖式測(cè)距——測(cè)距儀發(fā)射脈沖波，被目標(biāo)返回后，由儀器接收，直接測(cè)出脈沖往返傳播時(shí)間t。測(cè)程遠(yuǎn)時(shí)，其精度不如相位式的精度高。2）相位式測(cè)距——測(cè)距儀發(fā)射正弦調(diào)制波，反射后由儀器接收，測(cè)出調(diào)制波在往返距離上的相位差（間接測(cè)時(shí)），推算出距離，精度可達(dá)1—2cm。5.7.1電磁波測(cè)距基本原理電磁波測(cè)距的兩種方式：2）相位式測(cè)距——測(cè)距儀發(fā)射正弦調(diào)制相位式測(cè)距分類按測(cè)程分有短程（<3km）、中程（3—15km）、遠(yuǎn)程（>15km）按精度分為Ⅰ級(jí)（每km中誤差≤5mm）、Ⅱ級(jí)（5—10mm）、

Ⅲ級(jí)（10—20mm）按載波頻率分為光波（光速、紅外、激光）、微波、多載波相位式測(cè)距分類1.脈沖式測(cè)距基本原理公式（直接測(cè)時(shí)）

式中：c是電磁波在大氣中的傳播速度；t是電磁波在距離D上往返一次的時(shí)間。棱鏡反射器特點(diǎn)：具有三個(gè)相互垂直的反射角；反射光線平行于入射光線；多塊棱鏡可以組合，且組合棱鏡可以同光疊加。脈沖式測(cè)距精度低，多用于遠(yuǎn)距離精度要求不高的測(cè)距以及地形測(cè)量等。1.脈沖式測(cè)距基本原理公式（直接測(cè)時(shí)）式中：c是電磁波在大氣2.相位式測(cè)距原理公式（間接測(cè)時(shí)）利用光波作為“運(yùn)輸工具”（載波），通過一個(gè)調(diào)制器使載波的振幅或頻率按照調(diào)制波的變化做周期性變化。測(cè)距時(shí)，通過測(cè)量調(diào)制波在待測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位變化，間接地確定傳播時(shí)間t，進(jìn)而求的待測(cè)距離D。2.相位式測(cè)距原理公式（間接測(cè)時(shí)）利用光波作為“運(yùn)輸工具”（安置測(cè)距儀、反射器；調(diào)制光波通過測(cè)線到達(dá)反射器，并經(jīng)反射器被儀器接收器接收；將調(diào)制光波的往、返程展開在一直線上，用波形示意圖表示。安置測(cè)距儀、反射器；相位差：

意義：用半波長電測(cè)尺，測(cè)了N個(gè)整尺段和不足一尺段的尾數(shù)△N。又：故有相位式測(cè)距原理公式為：相位差：意義：用半波長電5.7.2N值解算方法

公式中u已知，測(cè)相器只能測(cè)出△N，故求D還需知道N值。測(cè)距時(shí)，連續(xù)變動(dòng)調(diào)制頻率使其調(diào)制波長也發(fā)生連續(xù)的變化。

n是調(diào)制頻率變化引起信號(hào)強(qiáng)度作周期性變化的次數(shù)。1.可變頻率法：5.7.2N值解算方法

公式中u已知，測(cè)相器只能測(cè)出△N測(cè)尺頻率15MHz1.5MHz150kHz15kHz1.5kHz測(cè)尺長度精度10m1cm100m10cm1km1m10km10m100km100m2.固定頻率法頻率與測(cè)程的關(guān)系：不難看出：測(cè)相精度與測(cè)程成反比?？梢姡脝我活l率的測(cè)量來解決單值解，精度和測(cè)程不能兼顧。為此，采用一組“測(cè)尺”共同測(cè)距，來擴(kuò)大測(cè)程，并提高精度。測(cè)尺頻率15MHz1.5MHz150kHz15kHz1.5k用精測(cè)頻率測(cè)定余長以保證精度，設(shè)置多級(jí)頻率(粗測(cè)頻率)來解算N而保證測(cè)程，從而解決“多值性”問題。

用精測(cè)頻率測(cè)定余長以保證精度，設(shè)置多級(jí)頻率(粗測(cè)頻率)來解算電磁波測(cè)距是在地球自然表面以及實(shí)際大氣條件下，通過儀器進(jìn)行的，故測(cè)得的距離只是初步值，因而需要一系列的改正計(jì)算。5.7.3距離觀測(cè)值的改正第一類：大氣折光引起的：氣象、波道彎曲等；第二類：儀器本身造成的：加常數(shù)、乘常數(shù)等周期誤差；第三類：歸算方面：偏心、傾斜以及投影到橢球面上改正等。電磁波測(cè)距是在地球自然表面以及實(shí)際大氣條件下，通過儀1、氣象改正（1）輸入氣象因子后，儀器自動(dòng)改正；（2）按公式計(jì)算氣象改正（注意不同儀器氣象改正公式不同）。（3）帶有傳感器，自動(dòng)感知測(cè)站上的氣象參數(shù)，自動(dòng)對(duì)測(cè)距加改正數(shù)。是電磁波測(cè)距重要改正；實(shí)質(zhì)就是大氣折射對(duì)距離的改正。例如DI20測(cè)距儀的紅外波長λ=0.835μm，參考大氣條件15oC,760mmHg。氣象改正公式為：1、氣象改正（1）輸入氣象因子后，儀器自動(dòng)改正；是2.儀器加常數(shù)改正和乘常數(shù)改正

1)儀器加常數(shù)改正

因測(cè)距儀、反光鏡的安置中心與測(cè)距中心不一致而產(chǎn)生的距離改正，稱儀器加常數(shù)改正,包括測(cè)距儀加常數(shù)C1和反光鏡加常數(shù)C2。即：2.儀器加常數(shù)改正和乘常數(shù)改正

1)儀器加常數(shù)改正因2)乘常數(shù)改正當(dāng)測(cè)定中、長的邊長，且測(cè)定精度要求較高。顧及儀器乘常數(shù)引起的距離改正，即：產(chǎn)生原因：調(diào)制頻率偏離其標(biāo)準(zhǔn)值引起的，也稱比例因子。式中：R為測(cè)距儀的乘常數(shù)系數(shù)（mm/km）；D0為觀測(cè)距離（km）。測(cè)距儀的加常數(shù)C、乘常數(shù)R應(yīng)定期檢定。2)乘常數(shù)改正當(dāng)測(cè)定中、長的邊長，且測(cè)定精度要求較高。六段法測(cè)定儀器加常數(shù)的基本原理不難看出：分段數(shù)n的多少，取取決于C的精度要求；一般要求，，算的n=6.5，應(yīng)分成6-7段，故一般取6段。六段法測(cè)定儀器加常數(shù)的基本原理不難看出：分段數(shù)n的多少，取取19為提高測(cè)距精度，應(yīng)增加多余觀測(cè)，故采用全組合觀測(cè)法，共測(cè)21個(gè)距離值。在六段法中，點(diǎn)號(hào)一般取為0、1、2、3、4、5、6，則須測(cè)定如下距離：為提高測(cè)距精度，應(yīng)增加多余觀測(cè)，故采用全組合觀測(cè)法，共測(cè)213.波道曲率改正

產(chǎn)生原因：距離較遠(yuǎn)時(shí)，電磁波受大氣垂直折射影響，其路線不是一條直線，而是一條弧線。實(shí)際測(cè)距時(shí)，在測(cè)線兩端測(cè)定氣象元素，由此求出測(cè)線兩端折射率的平均值，代替嚴(yán)格意義下的測(cè)線折射率的積分平均值。將弧長化為弦長的改正稱為“第一速度改正”。即：（K為折射系數(shù)，光波k=0.13，微波k=0.25）3.波道曲率改正

產(chǎn)生原因：將弧長化為弦長的改正稱為“第一速以測(cè)線兩端點(diǎn)的折射率代替測(cè)線折射率而產(chǎn)生的改正，稱“第二速度改正”，其計(jì)算公式為：第一速度改正與第二速度改正之和稱為“波道曲率改正”，

即：說明：K小于1，故波道曲率改正是負(fù)數(shù)；通常在15km以內(nèi)邊長，可以不考慮改正。以測(cè)線兩端點(diǎn)的折射率代替測(cè)線折射率而產(chǎn)生的改正，稱“第二速度產(chǎn)生原因：當(dāng)設(shè)置了偏心觀測(cè)，如覘標(biāo)擋住了視線或視線中有障礙物。這時(shí)需要對(duì)偏心觀測(cè)的邊長加歸心改正。（距離歸心改正）4.歸心改正

圖A、B為測(cè)線兩端點(diǎn)標(biāo)石中心；A’、B’為主機(jī)和反光鏡中心。偏心距e、偏心角類同前述方向歸心元素。產(chǎn)生原因：當(dāng)設(shè)置了偏心觀測(cè)，如覘標(biāo)擋住了視線或視線中有障礙物如何將測(cè)距儀距離D'，化至標(biāo)石中心的距離D？計(jì)算公式為：如何將測(cè)距儀距離D'，化至標(biāo)石中心的距離D？計(jì)算公式為：5.周期誤差改正

周期誤差——儀器內(nèi)部信號(hào)串?dāng)_引起的以距離為周期重復(fù)出現(xiàn)的誤差。改正公式：字母順序：周期誤差的振幅，周期誤差的初始相位角，距離觀測(cè)值，精測(cè)調(diào)制波長。當(dāng)測(cè)距精度要求較高，應(yīng)加周期誤差改正。5.周期誤差改正周期誤差——儀器內(nèi)部信號(hào)串?dāng)_引起的以距離6、傾斜距離D歸算到參考橢球面弧長S計(jì)算公式式中：D為斜距，h為兩點(diǎn)高差，Hm為兩點(diǎn)高程平均值，RA為A點(diǎn)處橢球平均曲率半徑。（用于10km內(nèi)距離化算）7、參考橢球面上距離投影到高斯平面上的改正式中，ym為A、B兩點(diǎn)高斯平面y坐標(biāo)的平均值，R同上RA。6、傾斜距離D歸算到參考橢球面弧長S計(jì)算公式261）測(cè)距的主要誤差來源5.7.4測(cè)距的誤差來源和精度表達(dá)式相位測(cè)距誤差可以分為兩大類：固定誤差和比例誤差。固定誤差：與距離長短無關(guān)誤差，如測(cè)定相位移的誤差、儀器常數(shù)誤差、反射器的對(duì)中誤差、測(cè)距儀對(duì)中誤差以及周期誤差等。比例誤差：與距離成比例的誤差，如測(cè)尺頻率誤差、真空光速值誤差以及大氣折射率的誤差等。1）測(cè)距的主要誤差來源5.7.4測(cè)距的誤差來源和精度表達(dá)2）測(cè)距的精度表達(dá)式光電測(cè)距的精度表達(dá)式一般為：式中