精密距离测量.ppt

米定米定义的第一次的第一次变更更实物基准物基准法法尺尺中中，第第六六号号法法尺尺长度度恰恰好好与与白白金金原原器器长度度相相同同。1889年年米米制制公公约国国际计量量大大会会上上通通过决决定定，以以第第六六号号法法尺尺两两条条刻刻线间的的距距离离作作为一一米米的的定定义值（米米定定义的的第第一一次次变更更）。其其精精度度为0.210-7。这根根法法尺尺定定为“国国际法法尺尺”，又又称称“国国际米米原原器器”，安安放放在在巴巴黎黎国国际计量量局局的的地地下下室室内内。各各国国分分得得的的三三十十根根法法尺尺依依国国际法法尺来尺来检定，定，这样全世界的全世界的长度都度都统一起来了。一起来了。这一一长度基准称度基准称“实物基准物基准”。实物基准有物基准有许多缺点：多缺点：1）精度不适）精度不适应现代科技代科技发展的要求；展的要求；2）若意外）若意外损毁，难于复制；于复制；3）由于物）由于物质内部内部结构随构随时间变化引起两条刻化引起两条刻线间距离距离变化，从而无法保化，从而无法保证国国际米原器所米原器所规定的精度。定的精度。1-米定米定义的第二次的第二次变更更自然基准自然基准为了了把把最最高高长度度基基准准长期期保保存存下下来来，1907年年国国际计量量大大会会决决议，暂定定镉红谱线在在15，760mmHg时的的波波长的的1553164.13倍倍为一一米米。这是是第第一一代代的的“自自然然基准基准”。也称。也称“光原尺光原尺”。1960年国年国际计量大会正式决定量大会正式决定废除以除以实物基准来定物基准来定义“米米”的的规定，而采定，而采用性能更用性能更为优越的越的氪86的橙黄的橙黄谱线，将米定，将米定义为：“米的米的长度等于度等于氪86（Kr86）原子在原子在2P10到到5D5能能级间跃迁，真空迁，真空辐射波射波长的的1650763.73倍倍”（米定（米定义的第二的第二次次变更）。其精度更）。其精度为110-8，经过改改进可达可达410-9。2-米定米定义的第三次的第三次变更更随随着着科科学学的的进步步，1967年年秒秒的的定定义由由地地球球自自转一一周周所所用用时间的的1/86400改改为“秒秒是是铯133原原子子基基态的的两两个个超超精精密密能能级间跃迁迁辐射射的的9192631770个个周周期期的的持持续时间”。实现这个定个定义的装置的装置为原子原子钟，其精度，其精度为百万百万亿分之一，即五百万年不差一秒。分之一，即五百万年不差一秒。同同时，激激光光诞生生。通通过特特殊殊方方法法对激激光光输出出频率率进行行稳频，使使其其稳定定性性和和复复现性性优于于百百亿分分之之一一，1969年年成成功功测量量了了甲甲烷稳频3.39m mm氦氦氖激激光光器器输出出频率率及及波波长的的绝对值，得到，得到真空光速真空光速值为299792458m/s。又又经过10年年的的研研究究与与验证，终于于在在1983年年10月月20日日法法国国巴巴黎黎举行行的的第第17届届国国际计量量大大会会上上，再再次次通通过了了米米的的新新定定义：“米米是是光光在在真真空空中中，在在1/299792458秒秒的的时间间隔内所隔内所经过的距离的距离”(米定米定义的第三次的第三次变更更)。米米的的新新定定义的的特特点点：把把真真空空中中光光速速作作为一一个个固固定定不不变的的基基本本物物理理常常数数，长度度可可以通以通过时间或或频率率测量量间接接导出，从而使出，从而使长度度单位和位和时间单位位结合了起来。合了起来。总的的说，国，国际米原器，米原器，氪86谱线波波长，根据，根据稳频激光器建立的新激光器建立的新长度，都是最度，都是最高高长度基准。凡是按它度基准。凡是按它们复制，逐复制，逐级传递得到的得到的长度，都属于国度，都属于国际长度度统一系一系统。3-2.我国的我国的长度基准度基准参参见武武测、同、同济合合编控制控制测量学量学P173倒数第四段倒数第四段P174第一段。第一段。1960年年和和1961年年，我我国国曾曾分分别用用中中、苏检定定的的基基线尺尺，对西西安安600m长度度的的标准基准基线进行了行了测量和量和计算，算，结果是：果是：使用前使用前苏联检尺尺测量量600065.86mm使用中国使用中国检尺尺测量量600065.84mm600m基基线上上的的差差值20m，反反推推两两国国3M工工作作基基准准尺尺的的差差异异为20m/2000.1m。相当于。相当于1/30000000。可可见中中国国与与前前苏联的的长度度基基准准一一致致。从从1953年年起起，由由这些些基基准准传递到到我我国国24m基基线尺的尺的长度和我国大地网中的起始度和我国大地网中的起始边长，也都属于，也都属于统一的国一的国际长度基准系度基准系统。二、因瓦基线尺及其量距与计算（阅读）练习及作及作业：1.阅读武武测、同、同济合合编控制控制测量学量学4-1、4-24-2电磁波磁波测距的基本原理和方法距的基本原理和方法 一、电磁波测距的基本原理 发射波反射波ABD电磁波磁波测距，是通距，是通过测定定电磁波在所磁波在所测距离上往返距离上往返传播播时间t2D，按下式，按下式计算算待待测距离的距离的式中式中c光在空气中的光在空气中的传播速度播速度 5-二、测距的基本方法电磁波磁波测距距仪，按，按测定定电磁波往返磁波往返时间t2D的方式不同，分的方式不同，分为脉冲式和相位式脉冲式和相位式两种。两种。主波主波回波回波时钟振振荡器器电子子门发射系射系统接收系接收系统合合作作目目标运运算算1.脉冲式脉冲式测距距仪原理如原理如图：优点：可点：可发出高功率光脉冲（一般采用固体激光器）。可不用反光出高功率光脉冲（一般采用固体激光器）。可不用反光镜，作，作业效率高，效率高，测程程远。缺点：受脉冲缺点：受脉冲宽度及度及电子子时钟分辨率影响，精度不高（分辨率影响，精度不高（15m）。）。主波：主波：计时起点（打开起点（打开电子子门）回波：回波：计时终点（关点（关闭电子子门）式中式中T时标脉冲的脉冲的时间间隔隔单位距离，位距离，仪器器设计时已确定，如已确定，如1m，5m等。等。6-2.相位式相位式测距距仪调制波制波发射波（射波（调制波）制波）反光反光镜反射波反射波发射系射系统接收系接收系统比相比相计数据数据处理理光光强光源光源发出的光波出的光波时间t t调制器制器调制波制波7-相位式相位式测距距仪的的优点是精度高，点是精度高，对其精度，可概略其精度，可概略讨论如下：如下：已知：已知：式中式中w w调制制讯号的角号的角频率率f调制波的制波的频率率c光速（光速（3108m/s）练习练习及作及作业业：阅读4.3.2；4.4.1思考思考1.电电磁波磁波测测距的基本原理距的基本原理2.电电磁波磁波测测距的基本方法距的基本方法3.脉冲式、相位式脉冲式、相位式测测距的原理距的原理4.脉冲式、相位式脉冲式、相位式测测距的距的优优缺点缺点若若调制制频率率f15MHz15106Hz，要求，要求测距精度距精度dD1cm则dj j2D(2151060.01)/()/(3108)3600.36欲使欲使测相精度达到相精度达到0.36是不困是不困难的，故高精度的，故高精度测距距仪多采用相位法多采用相位法测距。距。8-3相位式相位式测距距仪一、相位式测距的基本公式将将调制波往、返路程制波往、返路程摊平如下：平如下：往程往程返程返程 N2p pj jj j N2p p+j j9-往程往程返程返程N2p p j jj jN2p p +j j发射的射的调制波信号：制波信号：UUmsinw w t接收的反射波信号：接收的反射波信号：UUmsin(w w tw w t2D)发射波和反射波之射波和反射波之间的相位差：的相位差：j j w w t2D 由上由上图知知j j N2p pj j 2p p(NN)将将j j 代入代入D式，得相位式，得相位测距的基本公式距的基本公式Du(N+N)式中式中u/2电子尺（波子尺（波长尺），也称尺），也称测尺尺长度度调制波的波制波的波长N调制波往返的整周期数制波往返的整周期数N调制波往返不足整周期数的尾数制波往返不足整周期数的尾数10-相位相位测距的基本公式距的基本公式Du(N+N)根根据据上上式式可可知知，欲欲测定定D，需需测定定N 及及N，而而相相位位计只只能能测定定j j（即即只只能能测定定N），无法），无法测定定N。此即。此即N 的多的多值性。性。N 的多的多值性使上式性使上式产生多生多值解。解。分散的直接分散的直接测测尺尺频频率方式率方式集中的集中的间间接接测测尺尺频频率方式率方式 N值的确定：的确定：11-但但仪器器的的测相相（测j j）误差差一一般般可可达达10-3，由由测相相误差差引引起起的的测距距误差差很大（例：很大（例：u=1km测距距误差差1.0m）。）。二、测尺频率的选择例：例：选用两把用两把测尺尺量量测结果果精精测尺尺u110mu13.68粗粗测尺尺u21000mu2574为解决解决长测尺与高精度尺与高精度这一矛盾，定一矛盾，定频式式测距距仪通常通常选用一用一组测尺：短（精）尺：短（精）测尺保尺保证精度，精度，长（粗）（粗）测尺保尺保证测程。程。若若使使uD，则N0，DuNu(j j/2p p)，从从而而解解决决了了N的的多多值性性（D的的多多值解）。解）。573.6812-1.分散的直接分散的直接测尺尺频率方式率方式即即测尺尺频率率fi直接和直接和测尺尺长度度ui对应，如：，如：f1c/115MHzu11/210mf2c/2150KHzu22/21000m由由上上可可知知，直直接接测尺尺频率率方方式式，频率率f1和和f2分分散散程程度度很很大大，而而且且测程程越越长，分分散散越越悬殊殊（如如测程程若若由由10m100km时，高高低低频相相差差达达104倍倍）。这样放放大大器器、调制制器器都都难以以做做到到对高高低低如如此此悬殊殊的的频率率，有有相相同同的的增增益益及及相相移移稳定定性性。故故，一一般般此种方式此种方式为短程短程测距距仪所采用。所采用。短短程程光光电测距距仪目目前前广广泛泛采采用用砷砷化化镓（GaAs）半半导体体发光光管管及及GaAs半半导体体激激光光管管做做光光源源，这类光光源源能能通通过注注入入电流流的的大大小小直直接接调制制且且频带较宽；同同时，数数字字测相相有有较高高的的测相相精精度度，这些些对于于测程程较短短，高高低低频相相差差还不不算算悬殊殊的的测尺尺来来说，采用分散的直接，采用分散的直接测尺尺频率方式是很合适的。率方式是很合适的。13-2.集中的集中的间接接测尺尺频率方式率方式即利用一即利用一组相接近的相接近的频率率间接地接地获得得长度相差度相差悬殊的一殊的一组测尺。尺。若有两把尺子量同一距离若有两把尺子量同一距离f1u1Du1(N1N1)有：有：D/u1N1N1(1)f2u2Du2(N2N2)有：有：D/u2N2N2(2)由由(1)-(2)可得可得式中式中NN1N2NN1N2即即 fSf1f2；f1，f2测尺尺频率；率；fS间接接测尺尺频率率由上可知，由上可知，f1，f2越接近，越接近，尺子尺子uS越大。越大。故可用此方式故可用此方式选用一用一组相近的相近的频率率(P142表表4-3)，最高最低，最高最低频率率仅相差相差1.5MHz，而，而获得得10m到到100km的的5把尺子。因把尺子。因频率率集中在一个集中在一个较窄的窄的频带内，可使放大器和内，可使放大器和调制器制器获得相近的增益和相移得相近的增益和相移稳定性。定性。这种通种通过量量测f1、f2频率的相位尾数率的相位尾数j j1、j j2，取其差，取其差值，来，来间接接测定相定相应的差的差频频率率fS的相位尾数的相位尾数j j 的方式，称的方式，称为集中的集中的间接接测尺尺频率方式。率方式。14-三、差频测相1.差差频测相的必要性相的必要性为了了保保证测距距精精度度，精精测频率率选的的很很高高（一一般般10MHz数数量量级），对这样高高的的频率率进行行测相相，技技术上上很很困困难。另另，对几几种种测尺尺频率率（如如JCY-2的的五五把把测尺尺）直直接接测相相，必必须设置置几几种种测相相电路路，电路路很很复复杂。故故相相位位法法测距距仪都都是是采采用用差差频测相以解决上述相以解决上述问题。由由物物理理学学知知，不不同同频率率的的两两波波合合成成，合合成成波波的的频率率为原原来来的的两两波波频率率之之差差。差差频测相相，即即把把原原测距距频率率fi与与一一对应频率率（fifC）混混频，得得到到合合成成频率率为中中频或或低低频fC(如如fC1.545KHz)。由由于于频率率降降低低了了许多多倍倍，周周期期即即2p p 时间扩大大了了许多多倍倍，大大大大提提高高了了相相位位测量量的的分分辨辨率率。同同时各各测尺尺混混频后后，得得到到的的均均是是同同一一频率率fC，使，使鉴相相电路路简化。化。因此，无因此，无论集中的集中的间接接测尺尺频率方式率方式测相（相（远程），程），还是分散的直接是分散的直接测尺尺频率方式率方式测相（中短程），都采用差相（中短程），都采用差频测相。相。15-差差频前后前后频率示意率示意 fifC2.差差频测相的相的实现在在仪器内器内设置本机（地）振置本机（地）振荡器，器，对应每一每一测尺尺频率率fi，有一相，有一相应的本振的本振频率率fi-fC，混，混频后后频率率为fC，再送入，再送入测相相电路。路。混混频前：前：发射相位：射相位：w wrt+j jr接收相位：接收相位：w wrt+j jr-2w wrtD（发射、接收相位差：射、接收相位差：2w wrtD）混混频后：参考信号：后：参考信号：er(w wr-w wR)t+j jr-j jR测距信号：距信号：em(w wr-w wR)t+j jr-j jR-2w wrtD（发射、接收相位差：射、接收相位差：2w wrtD）可知，混可知，混频后的相位差与主振信号，后的相位差与主振信号，经过距离距离2D后后产生的相位延生的相位延迟相等。相等。16-D参考信号参考信号er 测距信号距信号em主振主振w wrt+j jr接收接收w wrt+j jr-2w wrtD本振本振w wRt+j jR反光反光镜w wrt+j jr-w wrtD混混频(w wr-w wR)t+j jr-j jR混混频(w wr-w wR)t+j jr-j jR-2w wrtD相位相位计：j j 2w wrtD17-计数充填数充填门QQ（与（与门）erSR emcp：时标脉冲脉冲通道通道触发器CHpY1 放大 限幅 四、自动数字测相自自动动数字数字测测相的工作原理相的工作原理如下如下18-若若fcp15MHz；fc15KHz；对应j j 2p p置位置位时间内脉冲个数：内脉冲个数：m(15106)/()/(15103)()(2p p/2p p)1000（个脉冲）（个脉冲）若若测尺尺长度度10m（即（即j j2p p对应10m），），则10m对应1000个脉冲；个脉冲；1个脉冲个脉冲对应1cm。置位置位时间tp内脉冲个数内脉冲个数m式中式中fcp时标脉冲脉冲频率率tp置位置位时间j jer与与em两个信号的相位差两个信号的相位差w wc测相信号的角相信号的角频率率（指差（指差频后的低后的低频）fc测相相信信号号的的频率率（指指差差频后的低后的低频）eremj jcp：eremtptg19-闸门时间tg内内总脉冲个数脉冲个数M由上式可得由上式可得如如HGC-1测距距仪，精，精测尺尺长uS10m；fcp40.96MHz；tg0.1sMmax(4.096107)(1.0101)2p p/2p p4096000(个脉冲个脉冲)将将Mmax除除4096（相当于（相当于n4096次次检相取平均相取平均值），再令），再令单位位为cm，则1000个脉个脉冲个数正好与冲个数正好与1000cm（10m）对应。若若j j 2p p/3，则得脉冲数得脉冲数750个，个，则距离距离为750cm（7.5m）。）。式中式中m一个置位一个置位时间内脉冲个数内脉冲个数n闸门时间内内检相次数相次数ntg/Tctgfctg闸门时间Tc测相信号相信号变化一周期所用的化一周期所用的时间对一台一台仪器，器，fcp，tg是固定是固定值。故，。故，计数器中脉冲个数反映了数器中脉冲个数反映了j j。如果将。如果将Mmax除除以适当的数（通以适当的数（通过对检相脉冲分相脉冲分频实现），使商与），使商与测尺尺长度度对应，则可可实现测距脉冲距脉冲个数与被个数与被测距离距离值直接直接对应。20-五、提高测相精度的措施 eremem eremem置位置位时间由于由于电路噪声等非路噪声等非测距信距信号的影响，使信号失真，造成号的影响，使信号失真，造成波形不波形不对称。称。1.波形不波形不对称的影响及称的影响及减弱措施减弱措施对于脉冲自于脉冲自动数字数字测相，相，电路噪声等非路噪声等非测距信号的影响，距信号的影响，引起引起检相脉冲相脉冲宽度度发生生变化，化，造成造成误差。差。减弱措施：提高整个系减弱措施：提高整个系统性能，降低噪音；取性能，降低噪音；取闸门时间内多次内多次检相平均相平均值等。等。21-触触发器正常工作，器正常工作，检相相时间tj j；相相位位差差小小到到使使检相相时间tj j小小于于检相相分分辨辨时间。er使使检相相器器置置位位，em与与其其同同时动作，因而不能使作，因而不能使检相器复位（触相器复位（触发器来不及器来不及动作）。作）。解决措施（把大、小角度化成中等角度）：解决措施（把大、小角度化成中等角度）：移移p p检相；相；分区控制分区控制检相；相；扩角角检相。相。2.大大、小小角角度度（接接近近360或或0的的角角度度）测量量产生大、小角度生大、小角度测量量误差的原因：差的原因：1）噪噪音音影影响响使使信信号号抖抖动，信信号号在在大大小角度之小角度之间跳跳动；2）检相相电路路时间分分辨辨力力有有限限（即即它它有一定的工作速度）。有一定的工作速度）。图示示举例例为小角度小角度测量情况；量情况；er em er em 22-外光路外光路测量量发光管光管光光电管管3.附加相移的影响（内光路的附加相移的影响（内光路的设置）置）由于由于电子子线路元件的工作状路元件的工作状态及周及周围环境境变化（机内噪声），会使化（机内噪声），会使测距信号距信号产生附加相移。生附加相移。为了消除附加相移的影响了消除附加相移的影响设置内光路。置内光路。内光路内光路设置如置如图：内光路内光路测量量发光管光管光光电管管外光路外光路测量的相移：量的相移：j j 外外j j Dj j 外外内光路内光路外光路外光路测量量测量量发光管光管光光电管管内光路内光路测量的相移：量的相移：j j 内内j j d j j 内内内外光路工作内外光路工作环节一一样，可以，可以认为j j 内内j j 外外故故j j Dj j 外外j j 外外j j 外外j j 内内j j 外外j j 内内j j d式中式中j j 内内、j j 外外内、外光路内、外光路测得之相移得之相移值j j 内内、j j 外外内、外光路内、外光路测量量时的附加相移的附加相移值23-练习练习及作及作业业：1.阅读阅读4.1.4；4.2；4.4；2.思考思考相位式相位式测测距的基本公式距的基本公式测测距距仪为仪为什么什么设设置两个或多个置两个或多个频频率？率？何何为为分分散散的的直直接接测测尺尺频频率率方方式式？何何谓谓集集中中的的间间接接测测尺尺频频率率方方式式？各各用用在在何何类型型测测距距仪仪上？上？差差频测频测相的原理及目的？如何相的原理及目的？如何实现实现？自自动动数字数字测测相的工作原理？相的工作原理？为为什么什么设设置内光路？置内光路？24-4电磁波磁波测距距误差及差及仪器的器的检验一、一、测距距误差的主要来源差的主要来源二、二、测距距误差的种差的种类三、三、测距距仪的的检验四、四、仪器器质量的量的综合合评定定25-相位式相位式测距的一般公式距的一般公式为：式中式中c0真空中光速真空中光速值n大气折射率大气折射率k仪器的加常数器的加常数对上式全微分上式全微分应用用误差差传播律播律式中式中mc。真空中光速真空中光速值的的测定定误差差 mn大气折射率大气折射率误差差 mf测距距频率率误差：差：m频频率安置率安置误差差m漂漂频率漂移率漂移误差差mk仪器常数器常数测定定误差差mj j测相相误差：差：m测测相原理相原理误差差m幅幅幅相幅相误差差m匀匀相位不均匀相位不均匀误差差还有上式未包括的：有上式未包括的：m周周周期周期误差差m中中仪器及反光器及反光镜对中中误差差一、测距误差的主要来源26-1.真空中光速真空中光速值测定定误差差mc0目目 前前 采采 用用 的的 真真 空空 光光 速速 值 为 c02997924581.2m/s，其其 相相 对 中中 误 差差 为410-9，对目目前前光光电测距距仪的的精精度度(一一般般为10-6)影响甚微，完全可以忽略不影响甚微，完全可以忽略不计。2.大气折射率大气折射率误差差mnn是是根根据据测距距过程程中中测定定的的气气象象元元素素（大大气气压力力P，温温度度T，湿湿度度e）算算得得，由由于于P，T，e的的测定定误差差及及代代表表性性误差差，使使n值有有误差：差：1）对于激光于激光测距：距：dt1时,dnt-0.9510-6dP2.5mmHg时,dnP+0.9310-6湿度湿度误差影响很小。差影响很小。2）对微波微波测距：距：温温度度，气气压测定定误差差的的影影响响与与激激光光测距不相上下距不相上下,湿度湿度误差的影响亦很大。差的影响亦很大。因此，作因此，作业中中应注意（尤其是中注意（尤其是中远程程测距）：距）：气象气象仪器必器必须经过检验，仪表反表反映的与映的与实地的气象状地的气象状态必必须充分一致；充分一致；气象代表性气象代表性误差，受差，受测线周周围地地形，地物，地表情况以及气象条件形，地物，地表情况以及气象条件诸因因素的影响，素的影响，选点点时应注意避免两端高差注意避免两端高差过大，大，视线擦擦过水面等。水面等。观测时，应选择空气充分空气充分调和的有和的有风天气，或温度比天气，或温度比较均匀的阴天。均匀的阴天。气象代表性气象代表性误差在不同差在不同时间段，段，不同天气，具有一定偶然性。因此，采不同天气，具有一定偶然性。因此，采取不同气象条件下多次取不同气象条件下多次观测，也能，也能进一一步削弱其影响。步削弱其影响。若干湿球温差的若干湿球温差的测定定误差差为1，则水气水气压误差差de0.50mmHg，引起大气折射系，引起大气折射系数数误差差dnl3.010-6。27-3.调制制频率的率的误差差mf 调制制频率率f 的的误差差mf可以分可以分为：1）m频频率率校校准准误差差（反反映映了了频率率的的准准确确度度）。当当用用高高精精度度（10-710-8）数字数字频率率计校准校准时，此，此项误差很小，可不考差很小，可不考虑。2）m漂漂频率漂移率漂移误差（反映了差（反映了仪器的器的稳定度）。定度）。这是是频率率误差的主要来源。差的主要来源。产生生频率漂移的原因：率漂移的原因：1）振）振荡器石英晶体器石英晶体质量不佳，晶体老化，振量不佳，晶体老化，振荡线路元件性能路元件性能变化；化；2）无无恒恒温温装装置置的的仪器器，遇遇温温度度变化化（石石英英晶晶体体不不加加恒恒温温时，频率率稳定定度度为110-5）；）；3）有恒温装置，）有恒温装置，预热时间不不够减弱其影响的措施：减弱其影响的措施：1）因温度引起）因温度引起变化，加恒温措施，充分化，加恒温措施，充分预热；2）因晶体）因晶体质量不佳，即老化引起的量不佳，即老化引起的频偏，偏，应定期定期对频率率进行校正。行校正。调不到不到标准准值的，的，则应对距离加距离加频偏改正。偏改正。28-徕卡全站卡全站仪测距距频率使用了一种率使用了一种专用的技用的技术，即，即动态频率（全站率（全站仪开机后，开机后，显示示的的频率不断地向一个方向率不断地向一个方向变化）。化）。动态频率是指不使用温率是指不使用温补系系统的一种精的一种精测发射射频率，随温度率，随温度变化而化而变化。全站化。全站仪在在发射射该频率信号的同率信号的同时，通，通过温度温度传感器和晶振感器和晶振温度曲温度曲线适适时求得精求得精测计算算频率，率，进行距离解算。行距离解算。仪器上器上显示的示的为该技技术中的中的计算算频率，它也是率，它也是动态的。下的。下图为动态测距距频率校准技率校准技术示意：示意：29-4.测相相误差差mj j测相相误差差mj j 可分可分为：1）m测测相原理相原理误差差2）m幅幅幅相幅相误差差3）m匀匀相位不均匀相位不均匀误差差4）m周周周期周期误差（另做差（另做讨论）测相原理相原理误差差m测 影响因素影响因素检相相电路路时间分辨率分辨率时标脉冲脉冲频率率 减弱影响措施减弱影响措施提高提高检相触相触发器、器、门电路、开关的灵敏度路、开关的灵敏度采用高采用高频率率时标脉冲脉冲闸门时间内几百次至上万次内几百次至上万次检相，减弱大气抖相，减弱大气抖动、噪音影响、噪音影响30-幅相幅相误差差m幅幅由由于于放放大大电路路有有畸畸变或或检相相电路路本本身身缺缺陷陷，当当信信号号强弱弱不不同同时，使使相相移移量量发生生变化而影响化而影响测距成果。距成果。减弱其影响的措施：减弱其影响的措施：1）在）在测距距仪的中低放的中低放单元加自元加自动增益增益电路（路（AGC）；）；2）在）在仪器内部器内部设置手置手动或自或自动减光板或孔径光减光板或孔径光栅，将接受信号控制在同一，将接受信号控制在同一强度上。度上。31-照准照准误差差m匀匀（测距距误差的主要来源）差的主要来源）减弱减弱这种种误差影响的措施：差影响的措施：1）提高）提高调制器或制器或发光管的制造工光管的制造工艺（提高空（提高空间相位均匀性）；相位均匀性）；2）采用）采用“电照准照准”、“光照准光照准”的的办法提高照准精度。法提高照准精度。41263136212018发射光束的空射光束的空间相位不均匀性，使同相位不均匀性，使同一横截面上各部分相位不同。而反射器每一横截面上各部分相位不同。而反射器每次只截次只截获光束横截面上一部分，也即每次光束横截面上一部分，也即每次照准，反射器位于光斑的不同位置，照准，反射器位于光斑的不同位置，测得得相位差不同。另，内外光路相位差不同。另，内外光路观测时，二者，二者不能截取光束的相同部位，使得内外光路不能截取光束的相同部位，使得内外光路测量量产生新的生新的误差影响。差影响。32-5.仪器加常数的器加常数的测定定误差差mk eLrD6.仪器器对中中误差差mg与棱与棱镜对中中误差差mRDLa aer厂家精确厂家精确测定定a，并（，并（对一般中短程一般中短程仪器而言）保器而言）保证a0。但。但仪器使用中振器使用中振动，修理，修理，换件以及使用不匹配的反光件以及使用不匹配的反光镜，使，使a值可能可能发生生变化。故化。故应对测距距仪进行行检验，测定剩余加常数定剩余加常数k，以便，以便对观测成果成果进行改正。行改正。测定定k值之之测定定误差差为mk。一般要求：。一般要求：mkm/2，m为仪器器设计的偶然的偶然误差。差。光学光学对中器或垂球中器或垂球对中，中，一般可保一般可保证对中的中的线量偏差量偏差不超不超过3mm。对短距离，高短距离，高精度精度测量，可量，可进行行强制制对中。中。33-7.周期周期误差差mZ应接接收收实接接收收信号信号 e1eK信号信号j jj j j je2干干扰信号信号由上式及由上式及图知：知：1）j j 随距离不同按正弦随距离不同按正弦规律律变化，周期化，周期为2p p（一个（一个测尺尺长度）；度）；2）j j 与与Ke2/e1有关。有关。e2、e1，则K、j j；e2、e1，则K、j j。故。故增大增大e1，有利于减小周期，有利于减小周期误差。差。j jK0.362010K0.160j j90180270360 1什么是周期什么是周期误差差所所谓周期周期误差是指按一定的距离差是指按一定的距离为周期重复出周期重复出现的的误差。主要来源于差。主要来源于仪器内部固定的串器内部固定的串扰信号。信号。设测距信号距信号强度度为e1，串，串扰信号信号为e2（相位固定（相位固定不不变），两者相位差），两者相位差为j j（随距离（随距离变化），两者之比化），两者之比为Ke2/e1，两者的合成信号，两者的合成信号为eK。影响最。影响最严重的同重的同频率串率串扰时由串由串扰信号引起的附加相移信号引起的附加相移为由上式可由上式可给出右出右图：34-测距距误差可以分差可以分为两两类1.比例比例误差（与距离成比例差（与距离成比例变化）化）2.固定固定误差（与距离大小无关）差（与距离大小无关）mc0真空中光速真空中光速值的的测定定误差差mn大气折射率大气折射率误差差mf调制制频率率f 的的误差差 mj j测相相误差差mk仪器加常数器加常数测定定误差差m中中仪器及反光器及反光镜对中中误差差 对于于这两两类误差，就其性差，就其性质，有系，有系统性的如性的如mc0，mf，mk及及mn中的一部分，可中的一部分，可以通以通过精确精确测定，定，缩小小误差的数差的数值，控制其影响。控制其影响。有偶然有偶然误差性差性质的，如的，如m，m中中及及mn中的一部分，可以通中的一部分，可以通过不同条件下多次不同条件下多次观测，削弱其影响。，削弱其影响。二、测距误差的种类35-1.周期周期误差的差的测定定平台法平台法测定的方法定的方法设置置一一平平台台，其其长度度稍稍大大于于仪器器的的精精测尺尺长度度，台台上上放放置置带有有毫毫米米刻刻划划、经过检定定之之钢尺尺，尺尺端端加加上上检定定时的的拉拉力力；测距距仪严格格安安置置于于钢尺尺延延长线上上，高高度度等等于于平平台台上上反反射射镜之之高高度度。测距距仪与与第第一一位位置置处反反射射镜之之间的的距距离离，等等于于精精测尺尺长度度的的整倍数（整倍数（1030m）。沿沿钢尺由近及尺由近及远移移动反射器，每次移反射器，每次移动d米（米（d可以是可以是0.25m或或0.5m）。）。测距距仪视准准线不不动，依次，依次观测测距距仪到反射器的各个距离，到反射器的各个距离，观测应尽可能迅速。尽可能迅速。三、测距仪的检验36-37-周期周期误差的差的计算算根据根据测定方法可以写出关系式定方法可以写出关系式D01s s(i1)dDiviKDj j i(i1，2，3n)式中式中D0101点的近似距离点的近似距离s s D01的改正数的改正数d反光反光镜每次移每次移动量量Di观测值，i1，2，3，40 viDi的改正数（反映出偶然的改正数（反映出偶然误差）差）K仪器的剩余加常数器的剩余加常数Dj j i周期周期误差改正差改正38-将将误差方程式差方程式线性化，令：性化，令：xAcosq q；yAsinq q则D01s s(i1)dDiviKDj j i (i1，2，3n)因因为Dj j iAsin(q q j ji)式中式中A周期周期误差的振幅差的振幅q q 周期周期误差的初相角差的初相角j ji对应测站至反光站至反光镜距离的相位距离的相位值：又令：又令：cs s K；liD01(i1)dDi将将x，y代入代入误差方程得差方程得误差方程式最后形式差方程式最后形式vicsinj ji xcosj ji yli (i1，2，340)即即v1csinj j1xcosj j1yl1l1D01D1v2csinj j2xcosj j2yl2l2D01dD2v40csinj j40 xcosj j40yl40l40D0139dD40将以上代入关系式将以上代入关系式 式，可得式，可得误差方程式差方程式vicAsin(q q j ji)li(i1，2，3n)39-组成法方程（成法方程（观测结果果认为是等是等权的）的）nc -sinj j x -cosj j y l0-sinj j c (-sinj j)2x(-sinj j)(-cosj j)y(-sinj j)l0-cosj j c(-sinj j)(-cosj j)x (-cosj j)2y(-cosj j)l0因因又又故故故法方程故法方程为nc l0(n/2)x-lsinj j 0(n/2)y-lcosj j 0解法方程得解法方程得由由x，y解算解算A，q q40-周期周期误差的差的检测精度：精度：1）单位位权（一次（一次测距）中距）中误差差（注：（注：vv之之检测：vvllalcblxcly）2）振幅）振幅A的中的中误差差41-2.加乘常数的加乘常数的测定定 D d1 d2 d3 dn目目前前国国内内外外常常采采用用“六六段段解解析析法法”测定定加加常常数数，或或“六六段段比比较法法”同同时测定加常数和乘常数。定加常数和乘常数。这里介里介绍“六段解析法六段解析法”测定加常数。定加常数。六六段段解解析析法法是是一一种种不不需需要要预先先知知道道测线精精确确长度度，而而是是利利用用测距距仪本本身身进行行全全组合合观测所所得得到到的的一一组观测成成果果，通通过计算算，解解算算出出仪器器加加常常数数的的方方法法。其作法是：其作法是：设置一条直置一条直线D，将其分，将其分为d1，d2，dn等等n个分段。如个分段。如图：42-野外基野外基线测定定测距加乘常数和距加乘常数和测距距标准偏差准偏差 C+RD a+bD43-用用测距距仪分分别观测直直线全全长D及及各各分分段段之之长度度d1，d2，dn，设仪器器剩剩余余加加常数常数为K，则 D d1 d2 d3 dnDK(d1K)(d2K)(dnK)将上式微分，假定将上式微分，假定测距中距中误差差为md，可得加常数，可得加常数测定定误差差mK与与md的关系的关系分分段段的的多多少少，取取决决于于测定定K的的精精度度要要求求，一一般般要要求求mK不不大大于于md的的50%。按按mK=0.5md代代入入上上式式，可可得得n6.5。即即，可可将将D分分成成六六七七个个分分段段。若若按按上上图将将D分分成成六六个个分分段段，mK/md略略大大于于50%。但但按按下下述述全全组合合法法测定定时，mK/md0.44750%，满足足测定定K的精度要求。此即六段法的来的精度要求。此即六段法的来历。44-采用全采用全组合法合法测量下述距离。需量下述距离。需测定：定：0123456共共计21个个观测值，7个未知量（六段距离和一个加常数），个未知量（六段距离和一个加常数），14个多余个多余观测。确确定定分分段段长度度时，应注注意意测线不不宜宜过长而而影影响响测定定精精度度。21段段组合合距距离离的的长度度，应均均匀匀分分布布在在一一定定测程程之之内内；21段段组合合距距离离的的尾尾数数(米米，分分米米)，应均均匀匀分分布在精布在精测尺尺长度内，以便通度内，以便通过改正数，粗略判断改正数，粗略判断仪器周期器周期误差的情况。差的情况。45-0123456平差平差计算如下：算如下：列列误差方程差方程对任一任一观测值，可建立如下一个，可建立如下一个观测方程方程DijvijK(D0j00j)(D0i00i)可可转换成成误差方程差方程vijK0i0jlijlij(D0j0D0i0)Dij式中式中Dij距离距离观测值，(i0，1，5；j1，2，6)vij观测值的改正数的改正数D0j距离近似距离近似值，钢尺量得尺量得0j近似近似值的改正数的改正数46-组成法方程成法方程求平差求平差值由由或或（武武测新新教材）教材）若距离取的若距离取的较短，短，红外外测距距仪比例比例误差亦不大，忽略不差亦不大，忽略不计，则观测值可可视为等等权。则法方程法方程为：aaKab01ac02ad03ae04af05ag06al0bb01bc02bd03be04bf05bg06bl0ff05fg06fl0gg06gl0即即式中式中得得（对对于于这这种种固固定定的的检检测测方方法法，无无论论观观测测值值如如何何，B阵阵是是固固定定的的。也也即即N阵阵、Q阵阵都都是是固固定定的的。因因此此以以往往手手算算均均是是根根据据现现成成的的Q阵阵（权权系系数数表表），与与观观测测后后组组成成的的BTPl相乘，得到平差相乘，得到平差值