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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:02)06_0611_05
光电测距仪的乘常数问题
(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。
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(%)
　　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
　收稿日期:。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　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
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。
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
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
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
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:
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±1.0
调制光相位均匀性误差,为±0.1mm至±数
　　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。
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
1　国家技术监督局.中华人民共和国国家计量检定规程
―――光电测距仪(试行)JJG703_90,1990
2　劳永乐.测距仪频偏改正系数及其测定.地矿测绘,
3　易　洁.论光电测距仪系统误差的检定.湖南测绘,～10
4　BenwellGL,MarnameAB,SprentA.ResultsofEDMCalibrations.AustralianSurveyor,):422～4325　黄伟明.光电测距仪实用检测新方法.北京:测绘出版社,1993
6　张学庄,李炼恒.光电测距仪野外检定的计算机模拟.测绘译丛,～31
7　覃　辉,李满苗.EDM野外基线检测的可靠性分析.勘察科学技术,～54
8　牛卓立.基线误差对被检测距仪加乘常数的影响.勘察科学技术,～46
9　季如进,过静王君.短程红外测距仪乘常数和比例误差
的探讨.测绘通报,～16
10　杨俊志.红外测距仪检测方法的评述.电磁波测距仪
及全站仪学术研讨会,郑州,1990
11　中国人民解放军总参谋部.军用电磁波测距仪检验
规范GBJZ20160_93,北京,1993
12　张学庄,王爱公,张　驰.测量机器人系统在五强溪
大坝的应用.大坝观测与土工测试,～27
作者简介:张学庄,教授,博士生导师。现从事光电测量仪器研
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.
ScaleCorrectionofElectronicDistanceMeasurementInstrument
ZhangXuezhuang1
(1　CentralSouthUniversity,Zuojialong,Changsha,China,410083)
Abstract:Thispaperdiscussesthescalecorrectionofelectronicdistancemeasurementinstrument(EDMI).Someincorrectresultsmeasuredaccordingto”VerificationRegulationofElectronicDis-tanceMeasurementInstrumentJJG703-90”aregiven.
ThereasonwhyRisincorrecthasbeenanalyzed.Theproblemsrelatedtoverificationregula-tionareexplained.RevisingtheverificationregulationanddeterminingRbyuseofmeasuringfre-quencyaresuggested.
Keywords:electronicdistancemeasurementinstrument(EDMI);verificationreg-ulation
Abouttheauthor:ZHANGXuezhuang,professor,Ph.Dsupervisor.Hismajorresearchesarephoto_electronicmeasurementinstrumentandgeorobotforprecisionengineeringsurveying.Hisrepresentativeachievementsare“BJCPrecisionLaserDistanceMeasurementInstrument”;“EFCSeriesFrequencyCalibratorforEDMI”,etc.E_mail:zxz@mail.
《武汉大学学报?信息科学版》征稿简则
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1.稿件内容:本刊主要刊登有关摄影测量、遥感、大地测量、工程测量、地图学、物理大地测量、地球动力学、图形图像学、地理信息系统、测绘仪器、计算机理论及应用、光电工程、通讯技术及电子信息工程、资源与环境等相关学科的学术论文,稿件要求具有较高的学术水平或重大应用价值。所有来稿文责自负。
2.稿件要求:来稿应符合科技论文著作要求,论点明确,论证严谨,内容创新,数据可靠,方法科学,文字通达、简洁,字数一般在8000字以内。来稿应采用法定计量单位,采用国家有关出版标准,附300字以内的中文摘要和1000单词左右的英文摘要,并附有中英文关键词。摘要要有自含性,要能反映论文的核心内容。作者署名应符合著作权法规定,并附第一作者简介(中英文)、E_mail、通讯方式及所有作者的详细地址(中英文)。基金资助论文应注明基金名称、项目编号。
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光电测距仪测距误差分析
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