范文一:光电测距仪检定方法研究进展
第30卷 第4期
2008年8月光 学 仪 器OPTICALINSTRUMENTSVol.30,No.4August,2008 文章编号:1005 5630(2008)04 0077 05
光电测距仪检定方法研究进展
杨维芳1,2,3,傅辉清3
3.中国地震局地震研究所,湖北武汉 430071)*(1.兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070;2.中国地震局地球物理研究所,北京 100081;
摘要:分析了光电测距仪的测距误差,介绍了光电测距仪室外检定方法和室内检定方法的国内外最新研究进展。室内检定方法是光电测距仪检定的发展趋势,因此重点分析了实现全室内检定存在的问题,提出了可能的解决思路。
关键词:光电测距仪;测距误差;室内检定方法;室外检定方法
中图分类号:TH741;P24 文献标识码:A
Progressinelectro opticaldistancemeters calibrationmethods
YANGWeifang1,2,3,FUHuiqing3
(1.SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China;2.InstituteofGeophysics,ChinaEarthquake
Administration,Beijing100081,China;3.InstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Wuhan430071,China)
Abstract:Theerrorsourcesofelectro opticaldistancemetersareanalyzedandtheprogressinelectro opticaldistancemeters laboratorycalibrationmethodsandfieldcalibrationmethodsispresented.ThelaboratorycalibrationisthefuturetendencyofEDMcalibration;hence,theemphasesareputintheanalysisoftheproblemsinthelaboratorycalibrationmethodsandtheideasforsolvingtheseproblemsareindetailintheend.
Keywords:electro opticaldistancemeters(EDMs);distancemeasurementerrors;laboratorycalibrationmethods;fieldcalibrationmethods
1 引 言
光电测距仪和全站仪(全站仪的测距误差检定同光电测距仪,现论述的光电测距仪检定亦适用于全站仪的测距检定)自问世以来,以其操作方便、快捷、高效、精密、自动化、智能化等特点,被广泛应用于工程测量、控制测量、地形测量、地籍与房产测量、施工放样、工业测量及近海定位等领域。数字地球的建设,也以其为基本的数字采集设备之一。作为一种被多种领域频繁使用的长度计量仪器,光电测距仪测距精度的定期检定始终是用户和承包方关心的问题[2],因为仪器能否在要求的精度下可靠地工作,是测量工作能否保质保量完成的前提条件。
光电测距仪定期检定至少有两个目的:一是使仪器的系统误差最小化[3],二是确定被检仪器所能达到的最高准确度。 光电测距仪检定规程JJG703-2003![4]中对仪器的检定周期限定为不超过一年,美国亥俄州州立大学教授BosslerJD于1984年提出光电测距仪应每年检定一次,频率检定每半年一次。而目前国内年销售各类全站仪在两万台以上,粗略估计拥有量在十万台以上[5]。由于根据规程要求的检定频
*[1]收稿日期:2007 11 05
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40301037)作者简介:杨维芳(1970 ),女,青海西宁人,副教授,博士研究生,主要从事测绘仪器检测方面的研究。
率和国内拥有的测距仪器数量之众,可知光电测距仪和全站仪计量检定的任务重、责任大,故相应检定方法必须合理、高效是显而易见的。
光电测距仪的检定要遵从计量检定规程,其是指导和规范计量检定行为的依据。为了增进商品和服务的国际化交流,提高各国间的技术合作,制定全球统一的检定标准是必要的。自2001年始,针对测距仪器,国际标准化组织(ISO)先后出台了大地测量仪器野外测试标准ISO17123-4(光电测距仪)[6]和17123-5(全站仪)[7]。国内现执行的光电测距仪检定规程是JJG703-2003。规程中光电测距仪加常数和乘常数的检定采用室外基线法。基线由仪器测程范围内的一系列永久标定的线段组成,这些线段位于同一条直线上并具有相同的坡度。基线的设计要能精确确定光电测距仪的误差,为确定仪器的乘常数,基线的长度一般是500~1400m[8]及1000~2000m[4]。但是,由于室外基线需要场地大,稳定性高,一般建在郊区,不仅需专人保养,外出检定时也费时费力,而且检定还受到大气条件的限制和影响。因此,近年来国内外越来越多的学者开始致力于室内检定方法的研究,并先后建立了一些室内检定装置,如欧洲同步辐射加速器ESRF(EuropeanSynchrotronRadiationFacility)、瑞士LeicaGeosystem、新西兰测量标准实验室、中国计量科学研究院、中南大学信息物理工程学院等已有此类室内检测设备。
现拟先分析光电测距仪的测距误差,然后介绍现有光电测距仪测距误差的室外检定方法及室内检定方法的研究进展,最后就现有检定方法存在的问题提出可能的解决思路。
2 光电测距仪的测距误差
光电测距仪的测距误差分为两部分:
(1)比例误差:与被测距离长度成比例的误差,主要是由频率误差,大气折射率误差及真空光速测定误差给测距结果带来误差。其中光速测定误差对测距值的影响可忽略不计。
(2)固定误差:仪器固有的误差,与被测距离长度无关,包括零点误差的检定误差,仪器与反光镜的对中误差,测相误差,幅相误差,发光管相位不均匀性误差和周期误差。周期误差主要来源于仪器内部光电信号的同频窜扰,误差的大小是以精测尺的长度为周期重复出现的[9]。
其中比例误差、周期误差、零点误差为光电测距仪的主要系统误差。
根据大量实测数据表明:由于仪器发光管和接收管相位不均匀性以及幅相误差等因素,仪器还存在除频率误差和大气折射率误差外,与距离长短相关的改正项,习惯上将与距离长短有关的改正数统称为乘常数[9]。零点误差的改正数称为加常数[10]。系统误差可通过检定中获得系统误差值而施加改正的方法来消除。因此光电测距仪系统误差的检定主要包括以下三项:
(1)周期误差的检定;
(2)加常数的检定;
(3)乘常数的检定。
3 光电测距仪的检定方法
3.1 光电测距仪的室外检定方法及其研究进展
3.1.1 周期误差的检定方法
国内 光电测距仪检定规程JJG703-2003!中采用平台法检定仪器的周期误差。周期误差公式按简便方法计算,前提是:观测点均匀分布在精测尺范围内且检定数为4的倍数。朱顺平等提出一种周期误差的精密检定方法[11],文中周期误差采用严密的解算方法。现代全站仪由于生产厂家在制造时采取了措施,周期误差到了可以忽略的程度。
3.1.2 加常数的检定方法
光电测距仪检定规程JJG703-2003!中加常数的检定方法有:
(1)基线比较法同时测定仪器的加、乘常数。基线法的检定可反映仪器的综合误差[12];(;
(3)用平台法与周期误差同时测定。
德国工业标准DIN18723-6采用六段解析法检定加常数,国际标准ISO17123-4[6]采用六段解析法或六段比较法来测试仪器的加常数。邱立存于2005年提出一种无基线测量光电测距仪加常数的方法,此方法不用标准的测量基线场,只需任何一块平坦的地面,通过四次三段法测量,即可很精确地测量出光电测距仪的加常数。
3.1.3 乘常数的检定方法
光电测距仪检定规程JJG703-2003!乘常数的检定方法为野外基线比较法,被推荐使用的方法为测频法。国际标准ISO17123-4野外检测测距仪时,乘常数也采用测频法。
3.2 光电测距仪室内检定方法及其研究进展
室外基线法需要场地大,维护费用高,而且因其一般建在市区外,出外检定仪器时需费的人力和财力也大,检定还受气候条件的制约和影响。基于上述原因,各国学者致力于光电测距仪室内检定方法的研究。欧洲同步辐射加速器ESRF(europeansynchrotronradiationfacility)[14],瑞士LeicaGeosystem,新西兰测量标准实验室,中国计量科学研究院[15],中南大学信息物理工程学院等单位都在进行室内检定方面的研究。室内检定方法的基本思路是将野外基线转入到室内,建立室内的静态或动态基线。LeicaGeosystem的DzierzegaA和ScherrerR提出的方法是将测距仪安置在实验室内的固定台上,反光镜安置在室内或室外通视的建筑物上,这样的动态基线长度可从5~100m的范围内变动,这种方法因为距离太短,只适用于检测加常数,而不能检测乘常数[16]。中南大学信息物理工程学院建立的动态基线[9]的准确度优于1#10。新西兰测量标准实验室的FordeLC和HowickEF提出的方法是:光电测距仪与采用外差法的激光干涉仪安置在60m的导轨的两端,光电测距仪的反光镜与激光干涉仪的测量棱镜背靠背(称为背靠背回射器)地固定于自动运行的小车上(见图1),小车在导轨上等间距运动,将光电测距仪和激光干涉仪在每段距离上的读数进行比较,可获得光电测距仪的周期误差和加常数[17],这个检定装置在95%置信概率下的不确定度预算值为0.39mm。中国计量科学研究院也采用背靠背结构的室内检定装置[15]来检定仪器的周期误差和加常数,乘常数用测频法(见图2)。从长期的实践经验和实验数据得知,短基线检测出的乘常数不可靠,扩展基线长度又成为新的课题。为了增加室内基线长度,国外的研究者们想的办法是用平面反射镜来折叠光线。埃及的RagabK博士提出的方案是在35m的长度上,增加两个平面反射镜,这样距离将增大3倍,即105m(示意图见图3)。FordeLC和HowickEF在背靠背结构的基础上,增加了四个平面反射镜,在60m的实验室里将检测距离增加到200m[19](见图4)。欧洲同步辐射加速器ESRF的基本工作距离是1.9~50m,使用第一套镜子折叠后的距离从32~80m。移开第一套镜子,使用第二套镜子折叠后的距离从65~113m(见图5)。黄稣提出利用两平面反射镜多次反射来建立虚拟的室内基线场,对该方案实施1km测长的不确定度进行了详细的分析和计算,得出该方案完全可行的结论。杨中东[21]提出利用光纤建立室内基线,通过理论性实验验证了理论分析的正确性,说明用光纤
在室内代替野外基线来检定测距仪是可行的。这为建立室内长基线提供了新的思路。[14][20][18]-6[13]
图1 背靠背结构光电测距仪检定装置 to co
图2 光电测距仪检定装置
Fig.2 EDMcalibrationappar
atus
图3 设计基线的结构
Fig.3 Configurationofthedesigned
baseline图4 光线折叠示意图Fig.4 SchematicviewofEDMbeam fo
lding
图5 增加平面反射镜的检定示意图
Fig.5 Schematicviewofcalibrationwithmirrors
4 光电测距仪检定方法的讨论及结论
基于前述室外基线法的缺点,就光电测距仪检定的发展趋势来看,经济、高效、方便的室内检定方法是光电测距仪检定的发展方向。但室内检定因距离短(从目前收集的资料来看,最长可达到200m),只能检定加常数与周期误差,乘常数的室内检定目前用测频方法测定。但采用测频法的前提是乘常数主要由频率误差产生,对此问题学者们产生争议。有些学者认为只有频率改正数可以作为乘常数[22];但有些学者认为频率计量法不能全面反映仪器的乘常数误差效果,只能用于基线检验乘常数误差超限时的故障分析诊断,不能与基线检定法列为同等地位,反对废除基线法[12,23]。这个争议的焦点是频率误差与乘常数的关系,用频率改正代替乘常数是否可靠?如果乘常数不主要由频率误差产生,其检定只能在长基线上进行,这又产生了新的问题:一是如何在室内建立长基线;二是多长的基线有利于乘常数的检定。
综上所述,室内检定法还需解决的主要问题是:
(1)频率误差与乘常数的关系;
(2)基线长度与乘常数适用范围的关系;(
第4期杨维芳,等:光电测距仪检定方法研究进展?81 ?
如果频率误差与乘常数关系的研究结果是乘常数主要由频率误差产生,那么用目前推荐的方法,在室内建立短基线来检定加常数和周期误差,用测频法来检定乘常数即可实现光电测距仪的全室内检定。否则,应寻找新的方法建立室内长基线。
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范文二:光电测距仪知识介绍
光电测距仪知识介绍
一、光电测距仪精度
1、 测距仪精度表达式:MD=±(A+B2D) A--固定误差mm, B--比例误差系数mm/km, D—被测距离km;
每公里的比例误差为Umm,则M0=±(Amm+Umm2D)
2、 测距仪的测距误差分为两部分:固定误差:与距离无关的误差, 有测相误差、加常树误差、对中误差。比例误差:与距离成比例的误差,有光速误差、大气折射率误差、频率误差。周期误差有特殊性,与距离有关当不成比例。 3、
测距仪的三轴有:仪器的发射光轴、仪器的接收光轴(二者统
称测距光轴)和望远镜视准轴。有的仪器三轴平行,有的三轴同轴。 4、
测距的精度评定:测距仪有标称精度和测距精度之区别。
标称精度:指一批仪器出厂时的合格精度,仪器的标称精度比较宽。MD=±(A+B2D)
测距精度:指一台仪器经过检测之后而得到的实际精度,可表明每台仪器在测距中的精度潜力大小。 MD=±√(M2d+M2a+M2b) Md –观测中误差,
Ma –加常数的检测中误差, Mb—乘常数的检测中误差, 二、光电测距仪测量方法 1、
斜距测量:置仪于BM1点上,瞄准BM2点,观测一个往测回
(照准一次读数若干次为一个测回,每一个测回中的若干次读数互差≯6mm时,取平均值作为此往测的平均斜距),然后置仪于BM2点上,瞄准BM1点,观测一个返测回。每测站观测前必须精确量出仪高i和棱镜高v。 2、
竖直角(天顶距)测量:BM1和BM2两点往返分别测竖直角两
个测回,要求半测回间较差≯12″。测回间较差≯8″时,取两测回的平均值作为往返测的竖直角。
往测高差:?H往=L往平均值2sinα往平均值+i往-v往 返测高差:?H返=L返平均值2sinα返平均值+i返-v返 精度计算: fh= ?H往-?H返<>
精度合格后取往返二者的平均值,正负号取往测的符号。 3、
平距测量:首先通过对光电测距仪测出的斜距进行倾斜改正,
改正后再进行水平距离的计算。
● 气象改正?1:用气象改正公式求出每KM的改正数,再求整个斜距的改正数。
● 周期改正?2:θ°=D零/10×360°;
ν=A2sin(φo+θ)mm;(一般在2~~3mm间,测距中可不作此改正) A—周期误差曲线的振幅mm
φo——仪器的初相角
θ—所测距离不足一精测尺长度尾数的相位角 D零—不够一精测尺10米的尾数 ● 加常数改正?3:一般给定
● 乘常数改正?4:一般给定每KM的乘常数系数
例:某台DM502测距仪,加常数为-1.6mm、乘常数为-0.65mm/百米、气象改正公式为?D=281.95–(0.3872P)÷(1+0.00366t) (mm/km)、精尺长度为10mm、初相角φo=170-23-22、振幅A=2.15mm。用该仪器测的某斜距为781.898米,竖直角为0-12-00.5,观测时温度为8°C,气压为738.5mmHg。试计算水平距离?
⑴、气象改正:?D=281.95–(0.3872738.5)÷(1+0.00366×8)=+4.3 mm/km 则斜距的气象改正数为:781.898÷1000×4.3=3.4mm
⑵、周期改正:θ°=1.898/10×360°=68-19-41; 斜距尾数1.898<10m ν="2.152sin(170-33-22+68-19-41)=-1.8mm;" ⑶、加常数改正:c="">10m>
⑷、乘常数改正:781.898÷100×(-0.65)=-5.1mm 各项改正后的斜距为:
S=781.898+0.0034+(-0.0018)+(-0.0016)+(-0.0051)=781.893m ⑸、归算水平距离:D=S2cosα=781.8982cos(0-12-00.5)=781.891m
该测量过程为往测一个测回,一般都要进行往返两个测回测距≯
6mm;竖直角要往返各测两个测回,半测回较差≯12″,测回间较差≯8″ 4、
三角高程测量:应用四项改正公式,得改正后的斜距S(S=
S+?1+?2+?3+?4)和归算的水平距离D( D=S2cosα)。 三角高程公式:HB=HA+?HBA=HA+S2sinα(P–r)+i–V P-地球曲率的影响 P=D2/2R r-大气折光的影响 r=K?D2/2R R-地球半径 6371 km
注意:地球曲率和大气折光二者称球气差,在一般情况只能在工作方法上采用往返测法来减少其影响,通常不作球气差改正。 5、
测绘地形图计算公式:
水平距离:D=d2sinZ 高差:h=d2cosZ+i–V
平面坐标:XB=XA+ d2sinZ2 cosαAB
YB=YA+ d2sinZ2 sinαAB
高程:HB=HA+ d2cosZ+i–V
字母表示:D-斜距,Z-天顶距,αAB-A点的坐标方位角,XAYA-A点的坐标,i-仪高,V-中丝读数即棱镜高。 6、
归算公式:
● 水平距离归算(倾斜改正)
● 大地水准面上水平距离归算(水准面改正) DO=D+?DH=D–D2H/R
H-发射器的绝对高程;
DO-大地水准面(平均海水面)距离; D-发射器水准面上的距离; ?DH-归算改正值-D2H/R; R-6371 km;
● 高斯投影面上水平距离归算(投影改正)
DOO=DO+?D=DO+DO2y2/2R2 y-A、B点y坐标的平均值km
注意:不考虑地球曲率影响时,算得的水平距离为反射器水准面上的平距;与国家控制网连接时,将上述大地水准面平距归算到高斯投影面上;与施工控制网连接时,将反射器水准面平距归算到施工水准面上。
三、光电测距仪测设曲线 ▲ 置仪于曲线上测设曲线: 1、 计算曲线上测设点的坐标
● 第一缓和曲线上任意测设点的坐标公式: X= L–(L 5÷40R2 l02);
Y=(L 3÷6R l 0)–(L 7÷336R3 l 03); ● 圆曲线上任意测设点坐标公式: αi=1802(L –L0)÷πR+β0; X= R2sinα+m; Y= R2(1–cosα)+P;
L-测设点到直缓点的曲线长;l 0-缓和曲线长;R-圆曲线半径;αi-
圆曲线上某点半径到从圆心向切线作的垂线间的夹角; ● 第二缓和曲线上任意测设点坐标公式:(如下图)
X=XHZ–X′cosα–Y′sinα =T(1+ cosα)–X′cosα–Y′sinα ; Y=YHZ–X′sinα+Y′cosα =Tsinα–X′sinα+Y′cosα ;(左-右+) XHZ YHZ -HZ点在以ZH为坐标原点中的坐标;
X′Y′-第二缓和曲线上测设点在HZ为坐标原点的坐标; T-曲线切线长; α-曲线转向角;
X
2、 测设曲线(如下图)
● 置仪于ZH点(或HZ)一次测设曲线:
求以坐标原点为极点,以X轴为极轴的极坐标系中的极角、极经: θ=arctg(Y/X); S=√(X2+Y2); ● 在曲线上任意点置仪测设: αBA= arctg((YA – YB)/(XA –XB));
αBC= arctg((YC – YB)/(XC –XB)); SBC=√((YC – YB) 2+(XC –XB) 2);
Xi▲ 置仪于曲线外测设曲线:
1、 在曲线已知点(曲线五大桩和任意点)上置仪,测一边一角求
曲线外点坐标。(如下图)
测αOM、SOM======>求出XM,YM 、已知XN,YN======>αMN、αMO=αOM+180=====>θ、S;
测∠EFM、SFM====>求出XM,YM 、arctgαEF =?YFE /?XFE、αFM
=αEF +180–∠EFM====>XM,YM、已知XH,YH====>αMH、SMH; 2、 曲线外任意点置仪测两边,求曲线外点坐标。(如下图)
X
Y
M点在EF右侧时:
?XEM =?XEN–?XNM=a2cosαEF–b2sinαEF; ?YEM =?YEN+?YNM=a2sinαEF+b2cosαEF; M点在EF左侧时: ?XEM=a2cosαEF+b2sinαEF; ?YEM =a2sinαEF–b2cosαEF;
a=(L21 –L22 +C2)/2C ;b=√(L21–a2)
四、光电测距仪测设曲线桥墩位置(桥梁工作线交点坐标计算) 1. 第一缓和曲线上墩台工作线交点坐标 XA'= L–(L 5÷40R2 l02);
YA'=(L 3÷6R l 0)–(L 7÷336R3 l 03);
βA=180L 2÷2πR l 0; αBA=β; αA'A=αA'B+90=β+180–90;
则:XA=XA'+?XA'A = XA'+Ecos αA'A;
YA=YA'+?YA'A = YA'+Esin αA'A; XA'、YA'--- A'点在中线的坐标; XA、YA--- A点在工作线交点的坐标; E---桥墩台预偏距;
BZH
2. 圆曲线上墩台工作线交点坐标 方法一:
XB'= R2sinα+m; YB'= R2(1–cosα)+P;
α=(LY÷R)2(180÷π)+β0 =α'+β0 =αCB'; αB'B=αB'C+90=αCB'+180+90; 则:XB=XB'+Ecos αB'B;
YB=YB'+Esin αB'B;
DZH
方法二:(如图)
X
JD
ZH
XO= m; YO= R+P;
αO~~HY =270+β0; θ=1802LY÷πR;
αOC=αO~~HY+θ=θ+β0+270(右偏)或=90–θ–β0(左偏); 则:XC=XO+?XOC=m+(R+E)cosαOC;
YC=YO+?YOC=(R+P)+(R+E)sinαOC;
--------------光电测距仪知识介绍----------- --------作者:李宝康
3. 第二缓和曲线上墩台工作线交点坐标
X C '=XHZ–X C′cosα–Y C′sinα
=T(1+ cosα)–X C′cosα–Y C′sinα ; Y C '=YHZ–X C′sinα+Y C′cosα
=Tsinα–X C′sinα+Y C′cosα ;(左-右+) αDC '=α–β ;αC 'C=αC 'D+90 ;
则:XC=XC '+EcosαC 'C=XC '+Ecos(α–β+270);
YC= YC '+EsinαC 'C=YC '+Esin(α–β+270);
11
范文三:JJG966_2010_手持式激光测距仪_检定规程解读
J J G966-201 0
《手持式激光测距仪》检定规程解读
马骏张卫东 ?
一修订背景 、概述2.
随着国内建筑施工房产测量和房屋装饰的发展新规程的概述特别强调了目标表面漫反射测量、, “”
和以激光为载波的特点进一步明确了新规程涵盖“”, 手持式激光测距仪的制造 以及自动跟踪测量的应用 ,
投射到目标表面 取得了较快的发展国内外已有多个生产厂家开 目前 的测距仪是以激光波长为测距标准。 ,,发了多种规格的产品其测量范围已由30,JJG966-而不包括以半导体激光为指 形成的反射光为漫反射 ,001 2示光运用超声波测量原理的手持式测距仪 ,。手持式激光测距仪检定规程以下简称旧规程《》 , “ ” , 计量性能要求3. 制 定 时 的 扩 展 到 其 主 要 ,0.2 ~100 ,m ,0.05 ~200 ,m , 仪器前后测量基准面的位置偏差,1,“、 ” 修改为 技术参数提高测距标准偏差已由— 1.5mm/100m—各测量基准面的观测值一致性“” 到
尤其是仪器的分辨力实现了数量级的跨 1.0mm/100m,为了便于操作仪器目前仪器上设置了个测量,1:4 越国内实现了从无到有的大发展旧在这种背景下,。 , 由于仪器示值误差的检定只是相对于一个测 为了 基准面规程已不能满足指示类量具检定仪的检定需要 ,。
只有各测量基准面的观测值保持一 量基准面的测量加强法制计量在旧规程的基础上修订完善形成了 ,,,、
手持式激光测距仪检定规程以下简称 JJG966-2010《》,才能保证仪器在不同基准面测量条件下的测量准 致 ,
新规程年月国家质检总局批准新规程于“”,。 201096确度后测量基准面的位置偏差进 旧规程只对仪器前。 、日 发布并自年月日起实施,201136。 行要求是不够的新规程在要求不变的前提下因此。 ,, 二修订内容、 将仪器前后测量基准面的位置偏差修改为各测量 “、”“新规程删减了检定项目完善了技术指标修改了 ,,基准面的观测值一致性”。 技术方法重新评定了测量结果不确定度评定具体如 ,,将测距标准偏差要求修改为示值误差要求,2,“”“” 表所示1。 旧规程中的测距标准偏差沿用了光电测距仪的 ?“”
三主要条文解释、技术指标概念这个概念既不同于国外生产厂家的定义,,
范围1. 又不同于国际标准的技术术语测距 所以从概念上讲, ,“由于手持式激光测距仪的测量范围最大上限已增 标准偏差要求修改为示值误差要求不存在延续性”“”。 至同时测量范围最小下限降至故新规程 200m,0.05m,在数据处理上测距标准偏差是在剔除固定常 ?,“”的适用范围改为国家质检总局已 另外,0.05~200,m。 ,数的基础上通过线性拟合的方法获得的而示值误差,,“” 安排手持式激光测距仪型式评价大纲的制定计划《》,
故新规程删除了型式评价的相关内容只规定了本规 ,“
因 则是直接用测量值与标准值之差不剔除固定常数 程适用于测量范围上限至分辨力不大于,。200m,1mm
的 手持式激光测距仪以下简称测距仪的首次检,“”,此在数值上示值误差要求严于测距标准偏差要求 ,“”“”。定后续检定和使用中检验、 ”。 由于手持式激光测距仪目前主要用于短距离?、
在长距离测量中要求其准确度主要在厘 高精度测量 ,
所以参照卷尺的示值误差要求确定了手 米级或更大,
中国计量 2011. 5China Metrology 128
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2011.5 China Metrology 4’t 129
技术篇技术培训
续表新旧规程差异对照表1
持式激光测距仪的示值误差要求 。示值误差2, ,
增加范围内的示值误差要求由于新规程扩大了适用范围?“D,100m”。 ?, 故在示值误差的
计量器具控制4. 测量点数量和组合段长度分布上增加了相应要求又 。 主要检定工具的变更,1, 由于目前手持式激光测距仪种类繁多量程各不相同、 , 检定手持式激光测距仪所用标准装置随检定项目 故根据量程大小对示值误差的测量点数量和组合段长 的删减和增加有所变化具体如下。 ,
度分布要求分别进行了说明对于测量上限不大于。 50m
故删除用于 对 由于新规程删除了定型鉴定项目, 的测距仪要求在不同测量段内测量点不少于个?,13。 电压变化对测距的影响和温度变化对测距的影响 “”“”的测距仪于测量上限大于要求在测量范围内100m, ,
分 检定的设备直流调压稳压电源和专用调温恒温箱——
段数不少于个且不大于对于测量上限大于17。 50m室,,。
的测距仪要求在测量范围内分段数不少于100m ,,14增加 由于手持式激光测距仪测量范围的扩展, ?个且基 线的各组合段长度应尽量均匀分布于整个测,
了测量范围不小于的室外标准基线用于手持式量范围200m, 。
激光测距仪的示值误差检定。 新规程直接用示值误差定义计算示值误差简 ?,
化了旧规程的计算公式。 量程与 由于手持式激光测距仪的测距准确度、 ?
注张卫东为的主要起草人,JJG966-2010。 使用的目标反射板有一定的关系故在检定工具要求 , 作者单位张卫东 河南省计量科学研究院马骏 【、中增加了对反射板的使用要求。
河南省测绘产品质量监督站】 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
页上接第 ,125 , 声速5.
面系数 靠近圆心的两个声道的流速除以外 侧两个 声速计算能帮助辨别探头上是否有异物声速受气 , ,声道流速的比率是流量计受脏污影响的最佳指示 体组分压力和温度的影响当某个声道的声速与流量 , 、,
器能够诊断出整流器的工作状况剖面系数的实时 计的平均声速差值超过时该声道会产生警告, , 0.35%,。 监测对于保持准确度非常重要理想的剖面 系数是。 三结束语、
和即外侧声道流速为平均流速的1.17 , ,A D , 0.89 超声波流量计在实际应用中会遇到各种各样的问 倍 , 题定期连接软件进行数据分析诊断便于及时发,CUI,靠近圆心的声道 和流 速 是 平 均 流 速 的 ,B C , 1.042 现 问题作为超声波流量计的应用工程师必须具备一,,倍 如果剖面系数与差值的绝对值大于。定 的现场诊断和处理一般故障的能力为企业节约成1.17 0.05 , ,
就 本。 需要调查原因原因可能是漩涡或上游整流 器部分 。
阻塞作者单位中石化天然气川气东送管道分公司。 【】 中国计量 2011. 5China Metrology 130
范文四:光电测距仪测距误差分析
光电测距仪测距误差分析
武汉大学电子信息学院 湖北 武汉
摘要:本文指出了光电测距仪测距误差的主要来源,对测距误差及其影响进行了分析,并给出精度评定的方法。
关键词:光电测距仪 测距误差 精度评定
一、引言
光电测距仪自问世以来,以其操作方便、快捷、高效、精密、自动化、智能化等特点,被广泛应用于工程测量、控制测量、地形测量、地籍与房产测量、施工放样、工业测量及近海定位等领域。数字地球的建设,也以其为基本的数字采集设备之一。作为一种被多种领域频繁使用的长度计量仪器,光电测距仪测距误差的分析与测距精度的定期评定始终是用户和承包方关心的问题。因为仪器能否在要求的精度下可靠地工作,是测量工作能否保质保量完成的前提条件。
国家技术监督局对光电仪器(全站仪、测距仪)测距系统的检定目的、项目和方法作了具的规范要求,本文就光电仪器的测距误差及精度评定进行分析。
测距精度是光电测距仪的重要技术指标之一,其测距精度不但与仪器的性能有关,同时也取决于使用方法和实测时外界因素的影响。分析测距误差的来源和影响程度,找出消除或减弱误差的措施和方法,对于正确、合理地使用仪器和维护仪器,以便测出精度较好的距离成果和分析测距成果质量等都是很有必要的。按照规范要求,对仪器进行检定,客观地评定仪器测距的实际综合精度,对了解仪器性能指标,验收新购和修理后的仪器以及合理使用仪器尤为重要。
欲达到系统客观地评定一台光电测距仪的测距精度这一目的,一方面应严格地按照规范要求对仪器进行检定,另一方面还需具备有关测距原理及相关的误差理论知识,以便找出测距误差的主要来源,再进行测距误差分析,作为综合评定仪器精度的依据。
二、光电测距原理
1.光电测距仪按仪器测程分类:
短程光电测距仪:测程在3Km以内,测距精度一般在1cm左右。
中程光电测距仪:测程在3~15Km左右,适用于二、三、四等控制网的边长控制,精度一般可达±(10mm+?10-6)。
远程激光测距仪:测程在15Km以上的测距仪,精度一般可达±(5mm+1?10-6),满足国家一、二等控制网的边长控制。
2.测尺频率的选择:
直接测尺频率方式:直接使用各测尺频率的测量结果组合成待测距离的方式。
间接测尺频率方式:用差频作为测尺频率进行测距的方式。
测尺频率的确定:一般将用于决定仪器测距精度的测尺频率称精测尺频率;而将用于扩展测程的测尺频率称为粗测尺频率。
对于采用直接测尺频率方式的测距仪,精测尺频率的确定,依据测向精度,主要考虑仪器的测程和测量结果的准确衔接,还要是确定的测尺长度便于计算。
3.测尺频率可依据下式计算:
fi=cc=0
2L1i2nLi (1)
式中,fi------------光波在大气中的传播速度;
c------------大气折射率;
n------------光波在真空中的传播速度;
c0------------调制频率(测尺频率)。
4.光电测距仪的工作原理:
电磁波测距是通过测定电磁波束在待测距离上往返传播的时间t2D来计算待测距
1离D的,如下图所示,电磁波测距的基本公式为 D=ct2D 2
(2)
式中 c——电磁波在大气中的传播速度。
电磁波在测线上的往返传播时间t2D,可以直接测定,也可以间接测定。直接测定电磁波传播时间是用一种脉冲波,它是由仪器的发送设备发射出去,被目标反射回来,再由仪器接收器接收,最后由仪器的显示系统显示出脉冲在测线上往返传播的时间t2D或直接显示出测线的斜距,这种测距仪称为脉冲式测距仪。间接测定电磁波传播时间是采用一种连续调制波,它由仪器发射出去,被反射回来后进入仪器接收器,通过发射信号与返回信号的相位比较,即可测定调制波往返于测线的迟后相位差中小于2π的尾数。用n个不同调制波的测相结果,便可
间接推算出传播时间t2D,并计算(或直接显示)出测线的倾斜距离。这种测距仪器称为相位式测距仪。
三、光电测距仪测距误差的主要来源
光电测距仪的测距误差分为两部分:
(1)比例误差:与被测距离长度成比例的误差,主要有频率误差、大气折射率误差及真空光速测距误差。其中真空测距误差对测距值得影响可忽略不计。
(2)固定误差:仪器固有的误差,与被测距离长度无关,包括零点误差的检定误差、仪器与反射镜的对中误差、测相误差、发光管相位不均匀性误差和周期误差。周期误差主要来源于内部光电信号的同频窜扰,误差的大小是以精测尺的长度为周期重复出现的。
其中,比例误差、周期误差、零点误差为光电测距仪的主要系统误差。
由于现如今广泛应用于精密测距的测距仪器是相位式测距仪,本文以相位式测距仪为例,分析其测距误差。测距误差的大小与仪器本身的质量,观测时的外界环境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误差的来源、性质及大小,从而找到消除或削弱其影响的办法,使测距达到最高精度,同时对正确使用、检定和维护仪器具有重要的作用。
分析仪器的测距误差也和分析测量成果的误差一样,可由测距公式和仪器使用情况来寻找误差的主要来源。目前光电仪器所采用的相位法测距来自于公式:
c0D=(N+)+K (3) π2nf
式中,?N=------------测尺长度; π
N------------整周数;
c0------------光在真空中的传播速度,c0=c*n;
n------------大气折射率;
f------------光波的调制频率;
?Φ------------往返传播相位差;
K------------仪器常数。
将(3)式线性化并根据误差传播定律的测距误差:
MD2?mc02mf2mn2?λ22=D?()+()+()?+()mφ (4) fn?4π?c02
式(4)表明,测距误差MD是有以上各项误差综合影响的结果。实际上,观测边长S的中误差MS还应包括仪器加常数的测定误差mk和测站及镜站的对中误差ml,即
2MD?mc02mf2mn2?λ2222=D?()+()+()?+()mφ+mk+ml (5) fn?4π?c02
mk及ml分别代表各因素的测定中误差。 式中mc0、mn、mf、mΦ、
由(5)式得知:大括号内的真空光速值的误差mc0、大气折射率误差mn、主控晶体振荡的频率误差mf,此三项是与距离成比例变化的误差;后三项测相误差mΦ、仪器加常数误差mk、测站及镜站的对中误差ml的影响则与距离无关。虽然就测相误差而言,严密地说应与距离有关,因为从理论上讲随着距离的增大,信噪比下降,测相精度相应降低;但是目前的仪器在设计有效测程时,已对此项误差规定了上限,并且设有专门的装置(自动增益控制),可以使信号自动控制在一定范围内,使得不同距离上有相近的信噪比。因此,可以认为此项误差与距离无关。此外,还有仪器对中误差mg和反射棱镜对中误差及周期误差m2在式中并没有反映出来。就仪器误差影响的性质而言,可将上述误差分为两大类:(1) 系统误差,它们构成了仪器精度指标中的比例误差。(2)偶然误差,即仪器精度指标中的固定误差部分。
对于偶然误差的影响,我们可以采取在不同条件下多次测量来削弱其对测距精度的影响;而对于系统误差,根据大量实测数据表明:由于仪器发光管相位不均匀性以及幅相误差等因素,仪器还存在除频率误差和大气折射率误差外,与距离长短相关的改正项,习惯上将与距离长短有关的改正数统称为乘常数。零点误差的改正系数称为加常数。系统误差可通过检定中获得的系统误差值而施改正的方法,即修正值法,来达到消除或控制其对测距精度影响的目的。
比例误差主要体现在:与距离成比例变化的误差。如:真空光速值的误差mc0、大气光的折射率误差mn,主控晶体振荡器的频率误差mf。
固定误差则体现在:与距离远近无关,且随机变化的测相误差mΦ和常数误差mk、周期误差mA,以及在实际测量中的对中误差mg和mR ( 仪器反射棱镜)、偏心改正的误差、照准误差等。
四、测距误差分析
1.比例误差分析
由(4)式可知,光速值c0、调制频率f和大气折射率n的相对误差值随D而增加,它们都属于比例误差。从误差性质上,这类误差属于系统误差。这类误差对于短程测距来说,影响并不大,但对于远程精密测距,影响却十分显著。 (1)真空光速值的误差mc0:
目前国际上通用的真空光速值c0=299792458±1.2 m/s,其相对误差即精度为mc0=4×10-9,则光速值c0对于测距误差的影响微乎其微,故而可以忽略不计。 c0
(2)主控晶体振荡器的频率误差mf:
我们知道,测距仪的调制频率决定了光尺长度,调制频率的变化将引起光尺长度的变化,因而使测距结果产生误差。此项误差包括两方面:频率的校准误差(反映了频率的精确度)和频率的漂移误差(反映了频率的稳定度)。调制频率是由主控振荡器产生的,因此主控振荡器的频率稳定性是影响频率误差大小的根源。频率的漂移误差与主控振荡器的石英晶体的质量、老化过程以及是否采用恒温措施密切相关,当晶体在不加恒温措施的情况下,其频率稳定度为±1×10-5,而精密测距的要求为mf/f在0.5?10-6~1.0?10-6之间,则这个数值不能满足这个要求。因此,精密测距仪上的振荡器采用恒温措施并采取了稳压电源的供电方式,来确保频率的稳定,以减小频率的漂移误差。
频率误差的影响在精密远程测距中是不能忽视的,测距前后都必须及时进行频率校验,必要时还要确定晶体的温度偏频曲线,以便给以频率改正。
(3)大气光的折射率误差mn:
大气折射率的变化将使光在大气中的传播速度发生变化,从而影响仪器的测尺长度,引起测距误差。此项误差是目前电磁波测距的一项主要误差,也是远距离测距精度提高的主要障碍。其误差主要体现在三个方面:气象参数的测定误差、气象参数的代表性误差、大气折射率计算公式本身的误差。
气象参数(P:气压;t:温度;e:水汽压)的测定误差指的是:(气象仪表、干、湿温度计与气压计)的刻度误差、读数误差。为了减小此类误差,气象仪表必须经过检验,保证仪表本身的正确性。读定气象元素前,应使气象仪表反映的气象状态与实地大气的气象状态充分一致。温度读至0.2℃,其误差应小于0.5℃,气压读至0.0667kPa,其误差应小于0.1333kPa,这样就有可能吧由于气象参数的读数误差引起的测距误差降至1?10-6。
气象参数的代表性误差:就是在计算折射率时所用的气象参数(p、 t、 e)值应当是光速所经过的沿测线气象参数平均值,但实际上是以测线两端点所测定的气象平均值代替,由此而引起的求定折射率误差即为气象参数的代表性误差。它包含有温度代表性误差、气压代表性误差。其影响较为复杂,它受到测线周围
的地形、地物和地表情况以及气象条件诸多因素的影响。为了削弱这方面的影响,选择测距地点时,应该注意地形条件,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,应该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。必要时,可以增加测量测线中间的温度。气象代表性误差的影响,在不同的时间、天气具有一定的偶然性,有互相抵消的作用。因此采取不同气象条件下的多次测量取平均值,能进一步削弱气象代表性的误差影响。
大气折射率计算公式本身的误差:据有关资料介绍,当计算公式的精度不低于 1?10-7时,此项误差影响可忽略不计。
一般在中、远程测距时都要进行气象改正,根据测得的气象数据,按气
象改正图表查出距离改正值,对距离进行改正。在有些自动数字测距仪中,可以进行自动气象改正,它是根据实测气象条件拨动相应电路开关,对主控振荡器回路中的变容二极管加一定偏压,从而使光尺频率发生变化,所以仪器所测得的距离值就是经过气象改正后的距离值。
对于短程测距仪的气象改正,可近似认为温度每升高10℃,则一公里距
离加一厘米,如果气压每升高25Hg,则一公里距离减一厘米。
2.固定误差分析
测相误差mΦ、仪器加常数误差mk和对中误差ml都是固定误差。从误差性质上,这类误差属于偶然误差。它们都与距离的长短无关,在精密短程测距时,这类误差对测量精度的影响尤为突出。
(1)测相误差mΦ:
在测相原理中,相位差的测量过程是调节移相器使指零表指零,然后在与移相器联动的计数器上读数。因此,测相误差包括移相器或数字相位计所引起的误差即测相系统误差、信噪比误差、幅相误差和照准误差。这些误差都与所测距离长度无关,并且一般都具有误差的偶然性。
测相系统误差与相位计灵敏度、检相电路的时间分辨率、噪声干扰、时标脉冲的频率及一次测相的平均次数等因素有关,提高仪器结构、元件的质量和电路的调整,以及采用多次测量求平均值的办法,可以减弱此项误差。
噪声误差是由于大气湍流和杂散光等的干扰使测距的回光信号附加随机相移而产生误差。噪声不能完全避免,但要求有较高的信噪比,因为信噪比越低,测距误差就越大。因此,在高温条件下测距时,需要注意通风散热并避免长时间的连续测距,高精度测距时,应该选择在阴天及大气清晰的气象条件操作。
幅相误差:由信号幅度变化而引起的测距误差。由于放大电路有畸变或检相电路有缺陷,当信号强弱不同时,使移相量发生变化而影响测距结果。要达到减小幅相误差的目的,有些测距仪电路中增加了自动增益控制电路,以控制电路的输出幅度保持在一定的范围内。此外,可以控制孔径光栏或减光板的大小将接收信号强度控制在固定的幅值。在进行精密测量时,应保证每次测量都在控制在同一信号强度上。
照准误差:当发射光束的不同部位照射反射镜时,测量结果将有所不同,这种测量结果的不一致而存在的偏差称为照准误差。由于发射光束的空间不均匀性,相位漂移以及大气的光束漂移而产生了此项误差。照准误差是影响测相精度
的主要来源,为减弱其影响,观测前,需要进行光电瞄准,使反射器处于光斑中央,同时采用多次测量取平均值的方法对数据进行进行处理。
(2)周期误差mA:
此误差主要来源于仪器内部固定信号(电信号和光信号)的串扰。它随所测距离的不同而做周期性变化,并以精测尺的尺长为周期,变化周期为半个波长,误差曲线为正弦曲线。因而,只有在通过对仪器进行检测后,才能发现它们。对此误差所采取相应措施有:加强屏蔽、合理隔离、减小发射和接收通道的耦合、加强电源滤波退偶,以减小仪器内部的点窜扰。此外,移相网络如果保证 RC=1并使信号频率稳定等,就可消除由此而引起的周期误差。
(3)仪器加常数误差mk:
由于测距仪电路延滞、光波的几何回路所引起的光程和实际距离有差别,以及测距仪和反射棱镜的偏心等形成了仪器常数。一般在每台一起制成后和测量前都需要测定出仪器常数,使得仪器常数在测距结果中表现为零,但是由于在测定仪器常数时存在误差,即为仪器加常数误差。此项误差会对测量结果产生影响,这就要求我们对施测前仪器的加常数必须进行严格检测,求出其常数的精确值。在测量中,将其常数值参加计算,以对所测中、长距离的边长进行修正;在短、中程测距时,则在仪器上用预置仪器加常数的办法予以消除。
(4)仪器和反射镜的对中误差mg和mR:
在测站安置测距仪和镜站安置反射镜时,由于测距仪和反射镜的中心不可能与地面的标志对准,这就产生了仪器的对中误差。对中误差主要取决于仪器和反射镜在安置时的细心操作,严格的平整、对准,为了削弱对中误差,测量人员必须精心整平、对中,并要注意由于松软的地面使一起下沉而造成的仪器倾斜。
五、光电测距仪的检验
近年来,光电测距仪大多具有自动化程度高,操作简易,精度高等优点,但是由于使用不当或者缺乏定期维修保护等措施,再加上电子元器件性能的老化,都有可能造成仪器性能的变化,技术指标下降,测距精度下降,甚至不能正常工作。为了更充分地掌握仪器性能,更合理的利用仪器,测量出更高质量的结果,必须对一起进行定期检验。检验项目有:
(1) 功能检视:查看仪器各组成部分的功能是否正常;
(2) 三轴关系校验:对于同轴系统,则检验其一致性;对于异轴系统,则
检验其平行性;
(3) 发光管相应均匀性(照准误差)的测定;
(4) 幅相误差的测定;
(5) 周期误差的测定;
(6) 加常数的测定;
(7) 乘常数和晶体振荡频率的测定;
(8) 内、外部符合精度的检验;
(9) 适合性能的检测;主要检定温度变化、工作电压变化对测距结果的影
响;
(10)测程的检定。
六、仪器精度的评定
对一台测距仪器要衡量其测距精度,就要考虑其内部符合精度和外部符合精度。
内部符合精度是表明一起在测距时各测回之间自我符合的程度,它主要是反映了仪器的测相精度和外界气象条件的影响。内部符合精度使用每一次测距中误差m、平均值中误差M和相对中误差MD来表示,即
一次测距中误差 m=±VV (6) n-1
M=±
平均值中误差 相对中误差 MD=VVm=±nn(n-1) (7) M (8) i
式中 Vi=i-Di(i=1,2,???,n);
i———距离观测值的平均值;
Di———每一次距离观测值;
n———观测次数。
外部符合精度,是指测距仪在基线上比测,所得的距离观测值与基线长度相比的符合程度,它是测距中各项测距误差的综合影响。外部符合精度用相对中误差md来表示,即
md=
式中 Di———测距仪的距离观测值;
D0———基线长度。
光电测距仪的测距误差,一部分由仪器本身产生,一部分由使用者的操作技术和测距的环境引起,而光电测距仪的测距精度取决于这些误差,在正规操作和正常环境下进行光电测距时,光电测距仪本身的误差是占主导地位的。
光电测距仪的标称精度是指仪器本身引起的测距误差(用于厂商标明仪器本Di-D0 (9) D0
身的精度)。将测距长度D无关的误差称为固定误差,用“a”表示;将与测距长度成正比的误差称为比例误差,其比例系数用“b”表示。因此测距仪的标称精度如下式所示:
mD=±a2+(D?b)2
在仪器说明书中,比例系数b一般用百万分率(ppm)表示。如a=5 mm,b=5 mm/km/,距离D的单位为千米(km)。例如各种测距仪的测距标称精度有:±(5+5?10-6?D)mm,±(3+2?10-6?D)mm,±(2+2?10-6?D)mm和±(1+1?10-6?D)mm等。a、b的数值越小,则测距仪的精度级别越高。
六、参考文献
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【2】周泽远 薛令瑜 电磁波测距 1991年 测绘出版社
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【8】陈海林 郭毅力 几种全站仪、测距仪测距误差分布分析 2003年 全国测绘仪器综合学术年会论文集
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范文五:光电测距仪的乘常数问题
第27卷第6期2002年12月武汉大学学报·信息科学版
GeomaticsandInformationScienceofWuhanUniversityVol.27No.6Dec.2002文献标识码:A
文章编号:1000_050X(2002)06_0611_05
光电测距仪的乘常数问题
张学庄1
(1 中南大学信息物理工程学院,长沙市左家垅,410083)
摘 要:讨论了光电测距仪的乘常数问题,并举出了按光电测距仪检定规程(试行)JJG703_90检测得到的乘常数(R)不正确的例子,分析了R误差大的原因。关键词:光电测距仪;乘常数;检测规程中图法分类号:P225.2
光电测距仪的加常数K和乘常数R是检测
和量测的关键参数,是与测距仪光机电结构的系统性偏差有关的参数。国家光电测距仪检定规程(JJG703_90)14.2.2[1]规定:中、短程测距仪的加常数与乘常数在长度检定场(基线场)检定,检定采用多段基线组合比较法同时测得仪器的加常数、乘常数。
光电测距仪检定规程实施10年来,发现用多段基线组合比较法来确定仪器的常数特别是乘常数,普遍存在问题,如测得的光电测距仪乘常数R不稳定;R过大(如大于10×10-6,甚至有大于30×10的);R与测定光电测距仪精测频率求得的比例改正数不一致等。
文献[2]举出两次测定AGA14A的R的结果。时间相距6个月,R竟相差20×10-6,而大量野外作业成果并未反映出这种差异。
文献[3]列出了某省测绘质量检测站近年来检定光电测距仪R的统计结果。
众所周知,R主要来源于光电测距仪的频率偏离其标称值。正常情况下,现代光电测距仪的频率偏差绝大多数小于3×10最大达18×10的。
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-6
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进行的检测也一样[4]。文献[4]列出了澳大利亚检测362台光电测距仪的统计结果。R(×10)在0~10、11~20、21~30、>30范围内所占比例分别为70%、19%、7%和4%。
表1 用六段基线比较法测得的R与测频率f
得到的比例改正数的差值分布情况Tab.1 DifferenceDistributionoftheR
andtheScale_CorrectionΔf/f
R-Δf/f(×10-6)所占比例(%)
<>
3~522
5~1029
>1011
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此外,由于R的检定结果不正确,就会导致错误的检定结论。例如,采用六段基线全组合比较法批量检测一种新的国外测距仪,曾经得出过有55%的仪器比例误差超限,因而不合格的结论。而这些仪器的频率偏差最大的仅为1.5×10-6,完全在允许的频偏范围之内。
文献[5]中列举了一台红外测距仪在几条基线上测出的乘常数R的结果,乘常数测定的误差较大,且R的变化太大,达9.3mm/km。
单波光电测距仪的标称精度几乎都落在±(5mm+5×10-6D)~±(0.2mm+0.2×10-6D)的范围内。对于光电测距仪检定证书提供的R过大的问题,不少单位对用这样的“乘常数”来改正观测值持慎重的态度,即测而不用[2];R的误差大,实际上已经使高精度仪器无法得到高精度的结果;面对似是而非的检定结果,使得检测者和测距仪用户无所适从。
。而文献[3]中,
用六段基线比较法得到R值大于等于3×10-6,
。显然,R值偏大,甚至是错误
由表1可见,两者的差值不是一个固定值;差值大于3×10的占62%。很明显,这两种测定R的方法不可能都是正确的。
上面看到的R检测结果是个普遍现象,国外
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收稿日期:2002_04_08。
612武汉大学学报·信息科学版 2002年
2.2 只有频率改正数可以作为乘常数
1 关于R和R不正确问题的讨论
关于R值过大、R离散大的原因,张学庄(1987)通过计算机模拟,认为是野外六段基线比较法野外比测引入的其他误差过大和基线短引起的,正确测定R的方法是测频率[6];覃辉(1992)对野外基线检定的乘常数不可靠的问题进行了分析;牛卓立分析了基线误差对R测定的影[8][5]响;黄伟明(1989)还针对R误差大的问题,提出了R测定误差约小两倍的精化法和进一步减小比测时误差的差值法,使R测定精度和效率都有较大提高。尽管从书中示例的R测定中误差多在±1×10
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[7]
引起测距结果出现与距离有关的误差的因素很多:①光速值;②大气折射率;③温度、气压、湿度;④大气代表性误差;⑤光载波波长;⑥测距仪的调制光的相位不均匀性;⑦调制光频率;⑧时间和外界条件变化引起的调制频率的改变;⑨幅相误差等等。其中,①影响很小;②、④、⑥、⑧、⑨、皆对测距结果造成不能确定大小和方向的误差,通常被限定在光电测距仪标称测距标准偏差表达式±(Amm+B×10-6D)中B所允许的范围内;③是由气象元素测定仪器与测定误差所引起的,可单独加以改正,不作为测距仪本身的改正数;只有光载波波长和调制光频率的偏差是由测距仪本身结构产生、与所测距离成正比的,确切的系统性参数偏差。而且,对测距结果施加乘常数改正后,能够有效消除其影响,提高测距精度。
绝大多数型号的光电测距仪产品的光载波波长值是正确的,由工厂确定且不易变化。所以,通常乘常数就是频率改正数。
从有光电测距仪以来,调制频率的稳定与准确一直是测距仪研究和使用人员关注的重点。由于调制频率源于石英晶体振荡器,而晶体振荡频率随时间老化和温度变化而漂移,频率偏差成了测距仪出现比例误差和影响测距精度的主要原因。2.3 按规程测定的乘常数不是乘常数,对测距结
果加改正没有意义
现行光电测距仪检定规程14.2.3规定:多段基线组合比较法测定加常数、乘常数的计算———将各基线段上观测的数据进行频率、气象、倾斜等修正,然后与相应的基线值比较,剔除粗差,按最小二乘法原则,采用一元线性回归的方法求解加常数、乘常数。由于观测数据已经进行了频率、气象、倾斜等修正,它与基线比测差值中能够作为测距仪乘常数改正的频率偏差已经不存在,剩下的主要是加常数和一些不能作为常数的测距误差的综合影响值。
测距误差不是常数。按规程计算的加常数K也有误差,且计算出的R不是乘常数。
因为基线比测时和往后测距时作业的条件不一样,两种条件下的测距误差也不同,所以,也不能按常数对测量结果加以改正。
另外,测距仪用户一般没有测频的设备,他们在野外测边的结果,包含了频率偏差引起的系统误差,即使加了上述乘常数改正,该系统误差也并以上,对高精度和较高精度的
测距仪而言,还嫌过大;季如进、过静王君(1988)指
出,乘常数的检测应以测频为主,以确定其尺度改正,然后实测相位均匀性等的附加函数,最后在基线或已知边上比测,评定比例误差的大小;杨俊志(1990)认为,测距仪乘常数的检测还没有形成完善的解决方案,应进一步分析产生乘常数的原因,只有把真正的原因找出来,这个问题才能解决[10]。
分析R的成因,找出R测定不正确的原因和正确测定R的方法,进而对光电测距仪进行正确的检定和量传,对保障测绘成果质量是很有意义的。
笔者认为,R检定不正确的基本原因是检定和量传方法没有充分考虑光电测距仪的特殊性,而将它等同于一般的几何测长仪器所造成的。正确的检定方法应参照光电测距仪的物理原理进行。
[9]
2 光电测距仪的乘常数
2.1 乘常数
乘常数是光电测距仪的主要参数之一,它来
源于相位式光电测距仪的精测调制频率偏离其标称值而使得测距光尺长度出现系统性的偏差,并导致测距仪测得距离出现与距离有关的系统性的偏差。距离的偏差可以通过调准测距仪的精测频率,也可以通过对测距结果加一个距离改正数解决。距离改正数通常是将测距结果乘以比例改正数(或称频率改正数)得到,频率改正数又称乘常数,常用R表示:
R=(F0-F)/F0
,0(1)
第6期 张学庄等:光电测距仪的乘常数问题 613
mm,视仪器、天气、距离、回光信号强度而定;
3 六段基线比较法测R误差大的原因
光电测距仪是一种物理测距仪器,但是,量传时沿用了几何测长仪器的比长方法。
3.1 几何长度量具用比长作量传的特点
以一把最普通的20m钢卷尺在恒温室的比长台上比测为例,其特点是:
1)在恒温室中,标准长度的误差忽略不计;2)读取分划读数的装置(如读数显微镜)的分辨率远比被检钢尺高;
3)环境温度的控制与测定的精度足够高,比对过程引入的误差小于被检钢尺的测量误差。
由此得到的刻划改正数和尺长方程式应该是完全正确的。
3.2 光电测距仪在野外基线上比长的特点
1)基线的误差对量传有较大影响
1×10-6~n×10-7的基线误差直接加到了测距仪的乘常数中,造成测距仪测距结果有系统误差。按量传标准器的准确度应该比被校准仪器至少高3倍的要求,基线已经不适合对高精度测距仪DI2002[±(1mm+1×10
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测相误差———从±0.1mm至±2mm,视仪器而异;
周期误差———0至±数mm,与仪器和所测距
离有关;
加常数测定误差———与加常数测定方法、测距仪本身精度和反射棱镜有关,从±0.1mm至约±2mm。
第二部分误差与所测距离成正比,属比例误差,其值从±0.1~±n×10-6,主要有:
基线本身的误差———±1×10-6~n×10-7;气象元素测定误差———正常情况下,温度,气压计的误差较大,它们对测距的影响约为±0.3至±2×10-6;
大气代表性误差———据实验,一天中不同时刻,测距受到大气代表性误差的影响最大可达±5×10-6左右[12]。目前大多数比测是整天在野外基线上进行,引入了不同程度的误差;
调制频率变化的误差———0~±1×10-6;其他比例误差———如有效光载波波长不准确,或厂家给出的标称频率值不正确引起的比例误差。
上述误差对具体某测边的影响,要按测距当时的实际情况而定,有时远大于测距仪的标称测距标准偏差。
4)野外基线作业条件不利于检测。
从我国现有测距仪检测基线场的情况看,采用强制对中的不多使用的气象元素测定仪器为普通的通风干湿温度计和空盒气压计,误差甚大。常用的检测方式是批量检测,从早测到晚,不可能选择最佳观测时间,气象代表性误差大。所以,在很多情况下,野外基线比测引入的误差过大是不可避免的,比测得到的差值误差很大。所以,靠比测差值求得的改正数R和K不真实,检测结果自然不能令人满意。
5)比测时引入误差的大小是随机的,受很多因素影响,计算出的R和K不是系统影响值,不能作为常数对测距作业结果作改正。
6)基线的总长和分段方法对R有很大的影响:
mR=md
Di)-D ∑(
2
D)]的乘常数进
行检定。更不用说检定ME5000等测距仪[±(0.2mm+0.2×10D)]了。这表明,用24m铟
钢尺丈量的亚mm级精度的基线已经不适宜用比较法检定ME5000等高精度测距仪的乘常数。
2)与基线比测的数据主要由测距仪本身读数测定,而不是用其他高精度的仪器来确定。
绝大多数测距仪的最小读数为1mm,高精度测距仪为0.1mm。而且距离读数中包含所有测距误差,它大于甚至远大于测距仪的最小误差。而仪器的加常数和乘常数靠测距读数与基线值比测的差数来反求,这大大限制了比测的精度,特别是乘常数的精度。
3)野外比长中引入了众多误差,注定了比长结果的误差大。
误差主要有两部分。第一部分误差与所测距离无关,其值与仪器状况、基线条件和操作等有关,可从±0.1mm至数mm,主要的有:
仪器和反射棱镜的对中误差———强制对中为±0.1mm左右,光学对中为±0.5mm以下,对中杆对中误差大于±1.0mm;
调制光相位均匀性误差,为±0.1mm至±数mm;
下2
(2)
i=1
从六段基线比较法测定R的中误差公式看,基线越短,R测定中误差越大,R的离散也越大。
,为
10-6D)的测距仪在北京军博720m长的基线上检测,R的离散可达14×10-6,每次测得的R都可能不同。
基线边短也是文献[4]中测得的R超常的原因,因为使用的比测基线长度仅600m[4]。上述特点表明,光电测距仪的量值传递按几何测长仪器的比长量传方法做,两者的测定条件与特征完全不同。这是导致R的测定误差大甚至错误的主要原因。正确的方法是按测距仪的物理原理作量值传递。另外,由于与基线比测的差值的误差远大于基线的误差,对于测定乘常数而言,基线精度再高也没有意义。
1988年笔者在“光电测距仪野外检测的计算机模拟”一文中,论述了野外基线比较法测得的R离散大,特别是短基线上测定R误差大,方法本身是有条件的,R应该由测频确定。同时,笔者注意到,一些德国同行也在野外基线用六段基线比较法测定R和C,但是只取用加常数C,他们知道R误差大而不采用,R由测频确定。
虽然按我国现行规程规定的方法测定R误差大甚至是错误的,为什么又不被所有人注意和承认呢?原因之一是在良好的观测条件下,如采用2km以上总长的高精度基线,强制对中,用高精度气象元素测定仪器,选择好天气和最佳观测时刻,在测定像DI2002等高精度测距仪时,测得的R与测频的结果很接近且加常数的测定误差较小(当然,这样做与测频相比得不偿失,很多情况下,检测单位通常做不到这些。)主要原因是众多检测单位采用21段比测数据先计算出加常数与乘常数,再用经过加常数与乘常数改正后的同一套数据去计算测距标准偏差。这个标准偏差自然很小,小到不少仪器都达到了高精度测距仪的标准,这种假象掩盖了乘常数测定的不正确性,只要用另外一套比测数据来计算测距标准偏差就可以发现这个问题。目前,在国际标准化组织最新测距仪检定标准ISO17123_4中,只用测频取得乘常数。
的乘常数与测频得到的乘常数相差或大或小,不是一个常数。其原因是将光电测距仪等同于普通几何测长仪器进行量值传递的结果。乘常数误差对测距精度的影响值得注意。
光电测距仪属于物理测距仪器,应该按其物理原理,用测定光电测距仪精测调制频率的方法来求仪器的乘常数,即“频率改正数就是乘常数”。建议修订现行光电测距仪检定规程,予以明确。我国已经研制和生产了新型EFC_6光电测距仪频率自动测量系统,测定测距仪频率的问题已经解决。同时,还希望测距仪生产厂家提供精测频率数据和有关测频信息,以便于检测乘常数。
参 考 文 献
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11 中国人民解放军总参谋部.军用电磁波测距仪检验
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12 张学庄,王爱公,张 驰.测量机器人系统在五强溪
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作者简介:张学庄,教授,博士生导师。现从事光电测量仪器研
4 结 语
本文列出用六段基线比较法测定光电测距仪乘常数的误差大甚至错误的例子,按基线比测得
制,仪器检测,高精度测距以及AFS自动陀螺快速定位定向系统,SMDAMS亚毫米级精度变形监测机器人系统等的研究与应用。
E_mail:zxz@mail.csu.edu.cn
ScaleCorrectionofElectronicDistanceMeasurementInstrument
ZhangXuezhuang1
(1 CentralSouthUniversity,Zuojialong,Changsha,China,410083)
Abstract:Thispaperdiscussesthescalecorrectionofelectronicdistancemeasurementinstrument(EDMI).Someincorrectresultsmeasuredaccordingto”VerificationRegulationofElectronicDis-tanceMeasurementInstrumentJJG703-90”aregiven.
ThereasonwhyRisincorrecthasbeenanalyzed.Theproblemsrelatedtoverificationregula-tionareexplained.RevisingtheverificationregulationanddeterminingRbyuseofmeasuringfre-quencyaresuggested.
Keywords:electronicdistancemeasurementinstrument(EDMI);scalecorrection;verificationreg-ulation
Abouttheauthor:ZHANGXuezhuang,professor,Ph.Dsupervisor.Hismajorresearchesarephoto_electronicmeasurementinstrumentandgeorobotforprecisionengineeringsurveying.Hisrepresentativeachievementsare“BJCPrecisionLaserDistanceMeasurementInstrument”;“EFCSeriesFrequencyCalibratorforEDMI”,etc.E_mail:zxz@mail.csu.edu.cn
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