橋隧選修3精密距離測量市公開課一等獎省賽課微課金獎?wù)n件

精密距離測量橋隧控制測量1/59[本章內(nèi)容]①光電測距原理擴(kuò)展②光電測距儀檢驗：加乘、周期等③精密測距注意事項④光電測距結(jié)果處理流程2/59ABD測距基本原理3/593.1電磁波測距儀分類1、按測定t方法

(l)脈沖式測距儀。直接測定儀器發(fā)出脈沖信號往返于被測距離傳輸時間，進(jìn)而求得距離值一類測距儀。

(2)相位式測距儀。測定儀器發(fā)射測距信號往返于被測距離滯后相位φ來間接推算信號傳輸時間，從而求得所測距離一類測距儀。2、按測程分（1）長程光電測距儀：（≥15KM)，國家三角網(wǎng)及特級導(dǎo)線。（2）中程光電測距儀:（3～15KM），通慣用于普通等級控制測量。（3）短程光電測距儀：（≤3KM），工測用途。4/593、按載波源分（1）微波測距儀(microwaveEDMinstrument)：用微波段無線電波作為載波（遠(yuǎn)程）；（2）激光測距儀(laserEDMinstrument)：用激光作為載波（遠(yuǎn)程）；（3）紅外測距儀(infraredEDMinstrument)：用紅外光作為載波（中、短程），普通取0.85~0.93μm。②、③都是光波，統(tǒng)稱為光電測距儀。微波和激光測距儀，測程可達(dá)60km，多用于大地測量；紅外測距儀屬于中、短程測距儀(測程為15km以下)，多用于小地域控制測量、地形測量、地籍測量和工程測量等。5/594、按載波數(shù)分5、按反射目標(biāo)分6、按精度分按單位公里測距中誤差劃分為Ⅲ級（即mD=A+B

D，當(dāng)D=1km時）：

①

Ⅰ級：mD≤5mm；

②

Ⅱ級：5mm<mD≤10mm；

③

Ⅲ級：10mm<mD≤20mm。A：固定誤差，以mm為單位B：百分比誤差系數(shù)，以mm/km為單位

D：測距邊長，以km為單位6/593.2脈沖法測距基本原理及應(yīng)用脈沖法測距基本原理7/59脈沖法測距對光脈沖要求1、含有足夠強度為了測出較遠(yuǎn)距離，并到達(dá)一定精度。2、含有良好方向性能量能夠集中在較小立體角內(nèi)，還可準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)方位。3、含有良好單色性若單色性不好，空中雜散光和測距光信號一并進(jìn)入測距儀接收系統(tǒng)，將使測距無法進(jìn)行。8/594、含有很窄脈沖寬度防止反射回來光和發(fā)射出去光重合起來，不能測距。光脈沖寬度要遠(yuǎn)小于萬分之一秒才能進(jìn)行正常測距工作。若測定更近距離，光脈沖寬度還要更窄。激光巨脈沖9/593.3相位法測距基本原理及應(yīng)用10/59相位式測距儀計算距離基本公式11/59精測和粗測數(shù)據(jù)正確組合

因為噪音影響、高頻電路干擾、測相電路本身缺點等原因，相位式測距儀采取一組測尺頻率(精測頻率和粗測頻率)對同一距離進(jìn)行檢相測量時，使測相帶有一定誤差，造成精測和粗測數(shù)據(jù)組合時可能在十米位發(fā)生差錯。比如：

為了防止這么差錯，可采取“置中值運算”方法。12/593.4光波測距儀檢驗新購置或經(jīng)過修理測距儀，在使用之前，普通要進(jìn)行全方面檢驗，其項目主要有:①功效檢視:查看儀器各組成部分功效是否正常。②三軸關(guān)系正確性檢校:對于同軸系統(tǒng)，則檢驗其一致性;對異軸系統(tǒng)，則檢驗其平行性。③發(fā)光管相位均勻性(照準(zhǔn)誤差)測定。④幅相誤差測定。⑤周期誤差測定。⑥加常數(shù)測定。13/59⑦乘常數(shù)(包含晶振頻率)測定。⑧內(nèi)部、外部符合精度檢驗。⑨適應(yīng)性能檢測:主要檢測溫度改變，工作電壓改變對測距結(jié)果影響。⑩測程檢測。

14/59附加相移△φ隨距離(φ與距離相關(guān))不一樣而按正弦曲線規(guī)律改變，其周期為2π。即因為串?dāng)_信號引發(fā)周期誤差周期為2π（等于精測尺長度)?！鳓张cK值相關(guān)，K值愈大，△φ也愈大。所以為了減小K值，必須加大測距信號強度，才能有利于減小周期誤差。一、周期誤差測定周期誤差是指按一定距離為周期重復(fù)出現(xiàn)誤差。周期誤差主要起源于儀器內(nèi)部固定串?dāng)_信號。普通地說，周期誤差周期取決于精測尺長。1、什么是周期誤差15/59周期誤差更正數(shù)：16/592.周期誤差測定方法-------“平臺法”1)觀察2)計算3)精度評定17/59二、儀器常數(shù)測定1.什么是儀器常數(shù)儀器常數(shù)包含儀器加常數(shù)和乘常數(shù)。

加常數(shù)是因為儀器電子中心與其機械中心不重合而形成一個計算更正數(shù)常數(shù)值;1）加常數(shù)

儀器加常數(shù)包含儀器加常數(shù)(Ki)和反光鏡常數(shù)(Kr)。在測距儀調(diào)試中，常經(jīng)過電子線路賠償，使Ki=0，但不可能嚴(yán)格為零，即存在剩下值，所以又稱為剩下加常數(shù)。18/592）乘常數(shù)

乘常數(shù)，就是當(dāng)測距頻率偏離其標(biāo)準(zhǔn)值而引發(fā)一個計算更正數(shù)乘系數(shù)，也稱百分比因子。

用小型頻率計，直接測定f實，進(jìn)而求得Δf，對于求得乘常數(shù)更正就方便了。19/592.用六段解析法測定加常數(shù)1）基本原理

六段解析法是一個不需要預(yù)先知道測線準(zhǔn)確長度而采取電磁波測距儀本身測量結(jié)果，經(jīng)過平差計一算求定加常數(shù)方法。

設(shè)置一條直線(其長度幾百米至幾千米)，將其分為d1，d2，…，dn等n個線段。經(jīng)觀察得到D及各分段di長度后，則可算出加常數(shù)K。20/59六段法來歷：普通要求加常數(shù)測定中誤差mk應(yīng)小于該儀器測距中誤差md50%，即mK≤0.5md，代入式(4-57)，算得n=6.5，所以要求分成6~7段，普通取6段。21/592）加常數(shù)K計算

在六段法中，為提升測距精度，采取全組合觀察法，此時共需觀察21個距離值。點號普通取0,1,2,3,4,5,6，則需測定距離以下:

為了全方面檢驗儀器性能，最好將21個被測量長度大致均勻分布于儀器最正確測程以內(nèi)。3）詳細(xì)作業(yè)步驟

以6個獨立分段距離更正數(shù)及加常數(shù)K作為未知數(shù)，經(jīng)過平差計算就能夠求出6段距離平差值和加常數(shù)K。22/593.5電磁波在大氣中傳輸一、普通概念大氣對電磁波測距影響，主要表現(xiàn)在兩方面：1、使大氣中電磁波傳輸速度小于真空中傳輸速度，擴(kuò)大了在一定距離內(nèi)傳輸時間；2、因為大氣折射影響，使電磁波傳輸波道彎曲，使距離測得過長。計算電磁波測量距離，不能用真空中光速值c0=299792.458km/s，必須用實際光速值。23/59大氣衰減主要影響測距儀測程降低。信號強度衰減隨輻射波長降低而巨增，所以可見光譜中波衰減尤其厲害，波長大于10cm波，衰減得尤其小。波參數(shù)如振幅（強度）、相位、頻率、偏振性、涉及波束橫斷面?zhèn)鬏敺较虻入S機改變是大氣湍流影響結(jié)果，也就是在波傳輸旅程上空氣密度不均勻隨機改變結(jié)果。24/59大氣湍流是由空氣對流而形成許許多多渦流形成；每一個小渦流又與其速度、溫度、折射率及其它原因親密相關(guān)。因而由大氣湍流形成大氣場是個不平穩(wěn)、不均勻、隨機改變著折射場。大氣湍流使得電磁波各種參數(shù)、都發(fā)生隨機改變，其結(jié)果是使得進(jìn)人接收機噪聲功率光譜密度擴(kuò)大，因而降低信/噪比值。25/59處理大氣湍流問題一個最好伎倆，就是選擇有利觀察時間—湍流現(xiàn)象發(fā)生最小時間。（在普通情況下，日出后一小時和日落前一小時可能是這么有利觀察時間）。在近地(12km內(nèi))對流層進(jìn)行測量時，湍流影響更為厲害，這個對流層內(nèi)時、空隨機改變著折射場受空氣壓力、溫度及濕度等原因制約著，它們都隨高度增加而降低。26/59二、電磁波大氣衰減電磁波在大氣中傳輸時強度衰減主要有兩種原因：1、大氣氣體分子吸收;2、大氣密度改變及空中微粒散射。電磁波強度衰減與大氣透射率、傳輸距離及波長等相關(guān)。強度衰減按布格(Bouguer)公式計算:27/59三、電磁波傳輸速度大氣折射率是表示大氣實際介質(zhì)性質(zhì)氣體成份、溫度、壓力、濕度以及波長等函數(shù)1.大氣折射率

對于無線電微波，在11～12km內(nèi)對流層空間里，大氣實際上是非色散介質(zhì)，所以相速度和群速度是一致;對于光波，大氣是色散介質(zhì)，相速度和群速度二者不一樣。28/592.光波折射率29/59可知：①測量溫度1℃誤差可引發(fā)折射率n，亦即距離有1ppm誤差;②測量氣壓1.0mb誤差可引發(fā)折射率n，亦即距離有0.3ppm誤差;③測量濕度1.0mb誤差可引發(fā)折射率n，亦即距離有0.04ppm誤差。為確保折射率測定必要精度，準(zhǔn)確測定溫度是關(guān)鍵。應(yīng)最少在測站兩端點測量溫度，分別計算折射率再取平均值，盡管如此，折射率平均值也不會優(yōu)于1ppm，除非應(yīng)用特殊設(shè)備和伎倆。對于濕度影響也不可忽略。30/593.微波折射率

無線電微波大氣色散等于0，故在每點上微波折射率僅是氣象元素T，p,e函數(shù)。31/59①測定氣溫1℃誤差，可引發(fā)折射率n，亦即距離有1.4ppm誤差;②測定氣壓lmb誤差，可引發(fā)折射率n，亦即距離有0.3ppm誤差;③測定水汽壓lmb誤差，可引發(fā)折射率n，亦即距離有2.6ppm誤差。在測定微波折射率時，關(guān)鍵性參數(shù)是水汽分壓測定，水汽壓對微波折射率影響是光波100倍。所以，與光波測距不一樣，在微波測距中必須沿整條測線十分準(zhǔn)確地測定濕度。即便是這么，使nM好于3ppm精度也是很困難，所以微波測距精度普通都低于光波測距精度。32/592.大氣參數(shù)測定大氣溫度：用通風(fēng)干濕計或遙測通風(fēng)干濕計同濕度一起測定。干、濕溫精度分別是0.2℃及0.1℃。溫度計應(yīng)放在陰涼、通風(fēng)處，離地物(包含地面、物體及人)等1.5m之外，要十分注意免受人體熱量影響。大約每隔3～5min測定一次氣象元素。溫度計要按時檢定，尤其要注意零點差及刻畫誤差檢定和更正。

大氣參數(shù)測量范圍和精度，取決于測距儀類型、內(nèi)精度、測距精度以及距離長短等。

控制測量電磁波測距，起碼應(yīng)在儀器站和反光鏡站同時測定干溫t、濕溫t’、氣壓P。33/59大氣壓：測量通慣用精度高于lmb高質(zhì)量空盒氣壓計測量。測量時要注意應(yīng)把氣壓計平放在陰涼處，平靜一段時間后再讀數(shù)。注意測前、后對氣壓計檢定，對測量氣壓值要加以溫度、百分比誤差及零點差更正。大氣濕度：測量通常都采取(遙測)通風(fēng)干濕計。在測濕溫時要注意棉球濕潤后在認(rèn)定讀數(shù)到達(dá)平衡時再使用，并隨時注意棉球潤濕以防干燥。34/59水汽壓e計算：35/59四、電磁波波道彎曲

大氣密度不均勻性使得電磁波在大氣中傳輸波道不是一條直線而是一條曲線，為得到兩測站點間直線距離，必須確定電磁波傳導(dǎo)波道曲率半徑。36/593.6測距結(jié)果歸算

電磁波測距長度值應(yīng)化算為標(biāo)石間水平距離。電磁波測距長度更正計算可分為三類：儀器系統(tǒng)誤差更正包含加常數(shù)更正、乘常數(shù)更正、周期誤差更正。大氣折射率改變所引發(fā)更正歸算更正主要有傾斜更正、歸算到參考橢球面上更正(簡稱為歸算更正)、投影到高斯平面上更正(簡稱為投影更正)。對于較長距離(比如l0km以上)，還要加入波道彎曲更正。37/59一、儀器系統(tǒng)誤差更正3、周期誤差更正1、加常數(shù)更正2、乘常數(shù)更正加常數(shù)與距離長短無關(guān)，即：加常數(shù)更正值=加常數(shù)K乘常數(shù)更正值=乘常數(shù)×距離

乘常數(shù)普通以mm/百米或mm/公里表示，38/59二、速度更正（氣象更正\大氣折射率改變引發(fā)更正）1、第一次速度更正第一次速度更正公式由廠家依據(jù)詳細(xì)儀器給出，如:第一次速度更正普通是采取儀站和鏡站折射率平均值,而不是采取全測線折射率積分平均值，所以產(chǎn)生了折射率代表性誤差，此項更正稱為第二次速度更正。2.第二次速度更正39/59（一）測距結(jié)果化算簡單項目：加常數(shù)更正、乘常數(shù)更正、氣象更正、傾斜更正普通測距結(jié)果計算1．加、乘常數(shù)更正

w

加常數(shù)與距離長短無關(guān)，即：加常數(shù)更正值=加常數(shù)本身

w

乘常數(shù)普通以mm/百米或mm/公里表示，

乘常數(shù)更正值=乘常數(shù)×距離40/592．氣象更正電磁波在大氣中傳輸速度

隨氣象條件改變而改變，儀器中只能按一個固定值計算測距值，所以應(yīng)進(jìn)行氣象更正。不一樣儀器給出氣象更正公式也不盡相同，普通在其使用說明書中給出。如：日本產(chǎn)TOPCON測距儀給出氣象更正公式為：

Ka＝（279.66－）×10-6式中:p-大氣壓力（Pa）;t-大氣溫度(℃)

氣象更正數(shù)Ka計算公式中,有是按公里數(shù)(10-6)求出,有是按百米數(shù)(mm/百米)求出。41/593．傾斜更正

l更正后斜距化算為測站所在水平面上距離；

傾斜更正公式：

D

＝S×cos

式中：S-施加了氣象更正、加、乘常數(shù)更正斜距；

—豎直角。

l考慮到地球曲率及大氣折光影響時,上式變?yōu)?/p>

D＝S×cosα－×S2×sinα×cosα式中：K-為大氣折光系數(shù)，普通取為0.13；

R-為地球半徑。注意：上式所求為測站所在水準(zhǔn)面上距離。42/59例題某臺測距儀，測得AB兩點斜距＝1578.567m，測量時氣壓p＝121.323kPa，t＝25°C，豎直角α＝＋15

30

00

；儀器加常數(shù)K＝＋2mm，乘常數(shù)R＝＋2.5×10-6，求AB水平距離。其氣象更正公式為：Ka＝（281.8－）×10-6解：1．氣象更正

D1＝Ka×s＝(281.8－)

×1.578567＝62.3mm43/592．加常數(shù)更正

D2＝＋2mm3．乘常數(shù)更正

D3＝＋2.5×1.578567＝＋3.9mm4．更正后斜距

S＝S'＋

D1＋

D2＋

D3＝1578.635m5．AB水平距離D

D＝S×cosα＝1578.635×cos15

30

00

＝1521.221m44/59三、幾何更正

幾何更正任務(wù)是將經(jīng)過第一、第二次速度更正后波道弧線長改化為橢球面上弧長。P1、P2是兩測站點；H1、H2為它們大地高；R，r分別為地球及波道曲率半徑；γ、β是對應(yīng)地球、波道曲率半徑之夾角；d1是經(jīng)第一、第二次速度更正后弧長度；d2是兩測站間直線斜距；d3是橢球面弦長；d4是橢球面弧長。任務(wù)：d1—d2—d3—d4。

45/59利用測站點高程向橢球面上歸算（一）分步法46/59計算步驟簡化

為計算方便，往往將第二次速度更正k″、第一次弧弦更正（波道弧長改化為空中斜距）k1、第二次弦?。E球面弦長改化為橢球面弧長）更正k4合并在一起，亦即則，由觀察值到橢球面弧長改化過程為：1、第一次速度更正：2、空中斜距化為橢球面弦長：3、改化為橢球面弧長（加第二次速度更正、波道弧弦更正、橢球面弦弧更正）：例47/59（二）一步法其中：48/59四、投影更正橢球面上P1P2弧長d4能夠認(rèn)為是橢球面這兩點間大地線長度。按高斯投影法將它投影到高斯投影平面上，則成為P1′、P2′兩點間曲線長度d4′。我們要求是P1′、P2′兩點間直線距離S。因為平面上投影曲線和直線間夾角甚小，所以能夠認(rèn)為d4′＝S。

即：將橢球面上弧長投影到高斯平面上，得到高斯平面上兩點間直線長。49/5950/59高斯投影面歸算例51/593.7光波測距誤差起源及精度預(yù)計空中光速值測定中誤差折射率求定中誤差測距頻率中誤差相位測定中誤差顧及周期誤差測定誤差和儀器對中誤差:相位法測距基本公式：儀器中加常數(shù)測定中誤差周期誤差測定中誤差對中誤差一、測距誤差起源52/59測距誤差分為兩部分:與距離D成百分比誤差、與距離無關(guān)誤差；周期誤差有其特殊性，它與距離相關(guān)但不成百分比。測距儀精度表示式：

百分比誤差影響：大氣折射率誤差影響正確測定測站和鏡站上氣象元素，并使算得大氣折射系數(shù)與傳輸絡(luò)徑上實際數(shù)值十分靠近，能夠大大地降低大氣折射誤差影響，這對精密中、遠(yuǎn)程測距乃是十分主要。53/59光速值誤差影響

光速值對測距誤差影響甚微，能夠忽略不計。調(diào)制頻率誤差影響

調(diào)制頻率誤差，包含兩個方面，即頻率校正誤差（反應(yīng)了頻率準(zhǔn)確度）和頻率漂移誤差（反應(yīng)了頻率穩(wěn)定度）。頻率誤差影響在精密中遠(yuǎn)程