Budapest University of Technology and Economics Department of
Budapest University of Technology and Economics, Department of Geodesy and Surveying II. (BSc) Lecture 1 Electrooptical Distance Measurements. Processing Distance Observations Lecturer: Szabolcs Rózsa (Ph. D) associate professor
Determination of Distances Length measurements: the distance is compared directly with the length of a standardized tape/wire Distance measurements: The distance is measured indirectly, by measuring physical or geometrical quantities, which are linked to the distance.
Physical distance measurements A physical quantity is measured, which is linked with the observed distance. Example: The propagation of light or any other electromagnetic waves. Knowing the propagation velocity, the travel time of the signal can be used to express the distance between the points: carrier signal measurement signal amplitude modulation
Physical Distance Measurement • The following solutions can be distinguished based on the carrier signal used Electrooptical distance measurement – Infrared light (wavelength in the order of mm) – modulated light microwave distance measurement – wavelength in the order of cm/dm – RADAR (impulse) – modulált electromagnetic wave
Physical distance measurements • Based on the method used one can distinguish: Time pulse observation • the travel time of the impulse is measured • the propagation velocity is known Time pulse observation carrier wave measurement signal modulated signal (t 0) modulated signal (t 1)
Physical distance measurement A periodic, continuous measurement signal is used: – the phase of the signal is measured at both ends of the distance (j. A, j. B) – the propagation velocity must be known (l=v/f) measurementsignal The number of cycles: The distance:
Issue of Time synchronization Transmitter One-way distance measurement Receiver • time synchronization is problematic (3 cm – 10 -10 s) Transmitter/Receiver Two-way distance measurement • time synchronization is feasible • the observed distance is the double of the original Reflector
The reflector used for electrooptical distance measurement (EDM) – the corner-cube prism
Electrooptical distance measurement (EDM)
Time-pulse distance observation τ travel time is measured: The actual propagation velocity of light depends on: the ambient temperature of air tact the air pressure (pact) tact , pact: meteorological correction Transmitter/Receiver Two-way distance measurement Reflector
Phase observation (constant measurement frequency) The double distance: The distance:
Phase observation (constant measurement frequency) The fundamental equation of phase observation: Where
Phase observation (constant measurement frequency) The observation of phase difference Original measurement signal Measurement of phase difference based on time delays: Reflected measurement signal
Phase observation How to measure the phase ambiguity (N)? - Usually more than one measurement signal is used (coarse – fine observation) - Phase observation is either accurate and ambiguous, or inaccurate but un-ambiguous.
Phase observation Measuring the distance Ex 1: l 1/2=1000 m, n=Dj/2 p=0, 3212 D = 321, 2 m Példa: l 2/2=10 m, n=Dj 2/2 p=0, 1235 D’ = 1, 235 m N = 32 Coarse scale Scale > range Fine scale Transmitter Receiver
Phase observation (the principle of variable frequencies) Transmitter Receiver
Phase observation (the principle of variable frequencies) measurement signal Transmitter Receiver Under real circumstances a wider range of frequencies is used.
Phase observation (the principle of variable frequencies) The instrument can create a wide range of measurement frequencies. The longest wavelength and frequency, which belongs to the first signal extrema (no phase differences) Using the full frequency domain, the frequency is increased to the maximal frequency, which creates a signal extrema. In the meantime, the number of signal extrema are counted (m). Thus the phase ambiguity of the signal with the highest frequency is:
Phase observation (the principle of variable frequency) The instruments using the variable frequency are usually more complicated, but more accurate as well. Kern Mekometer 5000: up to the range of 8 kms, 0, 2 mm+0, 2 ppm
The properties of the short-range automatic EDM units • At least 1 km of range, usually it is approx. 3 -5 km. (depends on the area of the reflector); • 1 -3 mm base error, which increases by 1 -5 mm/km; • Results can be logged for automatic observation processing. • quick measurement (1 -3 sec), which can be quicker for setting out purposes (less accuracy)
The good old AGA Geodimeter-12 EDM
Direct reflex distance measurements Do we need reflectors? When coherent light is used for the distance measurements, the light reflects from the surface of objects and can be detected by the instrument. LASER
Direct reflex observation Even long ranges can be measured with lasers (Earth-Moon, Ground stations – Satellites), but in this case high energy laser are used
Comparison of IR EDMs and DR EDMs Traditional EDMs (infrared light) Advantages: - Definite reflection point - Long range - Higher accuracy Direct reflex EDMs Advantages: - Remote targets can be measured (points not accessible or in dangerous areas) - A poleman is not needed Disadvantages: - A reflector is needed - Reflection points is not definite, the light - Either a poleman or a robotic total station can be accidentally reflected from leaves is needed. or other objects in the line of sight - Shorter range - Lower accuracy
Comparison of DR EDMs using time pulse and phase observations Phase observation Advantages: - Higher accuracy Time pulse observation Advantages: - Longer range - Signal interruptions have a limited effect Disadvantages: - Sensitive to signal interruption (e. g. - Lower accuracy traffic) - Shorter range
Processing EDM observations The instrument-reflector constant c=cm+cp
Processing EDM observations Determination of the instrument-reflector constant The It is true corrected for the distances corrected distance, that:
Processing EDM observations The effect of ageing: oscillators tend to change their frequencies The fact (actual real frequency) differs from fnom (nominal frequency): Due to frequency difference the wavelength changes: Thus the scale of the observation differs from the nominal value:
Processing EDM observations The correct result of the distance observation The observed distance: The corrected distance: k – scale correction
Processing EDM observations Is the wavelength of the signal constant? A function of meteorological parameters scale error This causes a scale error, too (m): [°C] [Hgmm] When m>1, then vact>vnom, thus lact>lnom. Sparser air causes an increased propagation velocity: (tact>tnom or pact<pnom)
Processing EDM observations The slope distance is computed as:
Néhány a gyakorlatban alkalmazott távmérőeszköz bemutatása – a kézi távmérők - lézeres távmérők (max 100 m hatótávolság, kb. +/3 mm pontosság) - folyamatos távmérés (min, max érték számítása) - adatrögzítési lehetőség - egyszerűbb számítások elvégzése (terület, térfogat, Pitagorasz-tétel) - egyes modellek dőlésmérővel is fel vannak szerelve (kb. 0, 2° pontosság)
Néhány a gyakorlatban alkalmazott távmérőeszköz bemutatása – a mérőállomásokba épített távmérők
Néhány a gyakorlatban alkalmazott távmérőeszköz bemutatása – a mérőállomásokba épített távmérők Dőlésmérés Trapéz mérések (tetőhajlás, homlokzat m 2) Vízszintesre redukálás Hossz-, keresztszelvény mérés Folyamatos magasság mérés Pitagorasz-tétel Egyenesek dőlésszögének mérése Távolság kitűzés
Néhány a gyakorlatban alkalmazott távmérőeszköz bemutatása – a mérőállomásokba épített távmérők - integrált távmérő az elektronikus teodolitokba (általában lézeres és infravörös elektrooptikai távmérők) - a lézeres távmérő hatótávolsága általában 1 -200 m, kb. 3 mm+3 ppm pontosság - az infravörös tartományban működő távmérőegység hatótávolsága több km, pontossága 1 -3 mm+1 -5 ppm kiviteltől függően - mivel az elektronikus teodolit egy célszámítógépet is tartalmaz, így a szabályos hibák javítása automatikusan megtörténik (összeadó-, szorzóállandó, meteorológiai tényező), illetve a távolságokat a zenitszög segítségével automatikusan vízszintesre is redukálja a műszer.
Lézerszkennelés
Lézerszkenner
Lézerszkenner
Néhány érdekes távmérési alkalmazás
Néhány érdekes távmérési alkalmazás
Néhány érdekes távmérési alkalmazás
Néhány érdekes távmérési alkalmazás
Ellenőrző kérdések A fázisméréses távmérés egyértelmű megoldást ad-e egyetlen mérőjellel történő mérés esetén? a) Igen b) Nem Mi a kétutas távmérés előnye? a) A távolságot kétszer mérjük meg, így ellenőrzésünk is van. b) A távolságot két mérőfrekvencián mérjük meg, így a távmérés egyértelmű eredményt ad. c) Az adó és a vevő ugyanabban a műszerben foglal helyet, így az időszinkronizáció pontosabban megvalósítható. A fázisméréses távmérés végrehajtása során a lépték megváltozik a) Ha más prizmát használunk a mérés során b) Ha a hőmérséklet, a légnyomás eltér a kalibrálási paraméterektől. c) Ha a műszer oszcillátora öregszik, így a frekvencia változik.
Ellenőrző kérdések A lézeres (direkt reflex) távmérés előnye a) Pontosabb, mint az infravörös távmérés b) Nem kell figuráns a méréshez c) Egyértelműbb a visszaverődési pont d) Elérhetetlen/megközelíthetetlen pontok is megmérhetők vele Miért használunk infravörös fényt a távméréshez? a) Azért, hogy éjszaka jobban lássuk a prizmát b) Mert a fényt egyszerű optikai eszközökkel tudjuk irányítani Melyik igaz a távmérőprizmára? a) A fényt síktükörként veri vissza b) A fényt mindig a beesési irányával párhuzamosan veri vissza c) A fényt komponensekre bontja, és csak az infravörös tartományt veri vissza
Ellenőrző kérdések Ha a hőmérséklet növekszik, akkor a) a hullámhossz csökken, így a meteorológiai javítás szorzótényezője is csökken. b) a hullámhossz csökken, így a meteorológiai javítás szorzótényezője növekszik. c) a hullámhossz nő, így a meteorológiai javítás szorzótényezője nő. d) a hullámhossz nő, így a meteorológiai javítás szorzótényezője csökken. Az összeadóállandó a) A prizma visszaverődési pontja és a prizmabot közötti vízszintes távolság b) A szorzóállandó és a meteorológiai javítás összege c) Ugyanazon műszer-prizma egységre nem változik az értéke d) A szorzóállandóval és a meteorológiai javításokkal ellátott mért távolságból levonva megkapjuk a műszer és a prizma ferde távolságát A mérnöki távmérő a) 1 -3 cm-es középhibával méri meg a távolságokat b) Közvetlenül vízszintes távolságot mér 1 -3 mm alaphibával és 1 -3 mm/km távolságfüggő hibával c) A műszer és a prizma közötti ferde távolságot határozza meg 1 -3 mm alaphibával és 1 -3 mm/km távolságfüggő hibával
Ellenőrző kérdések A fázisméréses távmérés egyértelmű megoldást ad-e egyetlen mérőjellel történő mérés esetén? a) Igen b) Nem Mi a kétutas távmérés előnye? a) A távolságot kétszer mérjük meg, így ellenőrzésünk is van. b) A távolságot két mérőfrekvencián mérjük meg, így a távmérés egyértelmű eredményt ad. c) Az adó és a vevő ugyanabban a műszerben foglal helyet, így az időszinkronizáció pontosabban megvalósítható. A fázisméréses távmérés végrehajtása során a lépték megváltozik a) Ha más prizmát használunk a mérés során b) Ha a hőmérséklet, a légnyomás eltér a kalibrálási paraméterektől. c) Ha a műszer oszcillátora öregszik, így a frekvencia változik.
Ellenőrző kérdések A lézeres (direkt reflex) távmérés előnye a) Pontosabb, mint az infravörös távmérés b) Nem kell figuráns a méréshez c) Egyértelműbb a visszaverődési pont d) Elérhetetlen/megközelíthetetlen pontok is megmérhetők vele Miért használunk infravörös fényt a távméréshez? a) Azért, hogy éjszaka jobban lássuk a prizmát b) Mert a fényt egyszerű optikai eszközökkel tudjuk irányítani Melyik igaz a távmérőprizmára? a) A fényt síktükörként veri vissza b) A fényt mindig a beesési irányával párhuzamosan veri vissza c) A fényt komponensekre bontja, és csak az infravörös tartományt veri vissza
Ellenőrző kérdések Ha a hőmérséklet növekszik, akkor a) a hullámhossz csökken, így a meteorológiai javítás szorzótényezője is csökken. b) a hullámhossz csökken, így a meteorológiai javítás szorzótényezője növekszik. c) a hullámhossz nő, így a meteorológiai javítás szorzótényezője nő. d) a hullámhossz nő, így a meteorológiai javítás szorzótényezője csökken. Az összeadóállandó a) A prizma visszaverődési pontja és a prizmabot közötti vízszintes távolság b) A szorzóállandó és a meteorológiai javítás összege c) Ugyanazon műszer-prizma egységre nem változik az értéke d) A szorzóállandóval és a meteorológiai javításokkal ellátott mért távolságból levonva megkapjuk a műszer és a prizma ferde távolságát A mérnöki távmérő a) 1 -3 cm-es középhibával méri meg a távolságokat b) Közvetlenül vízszintes távolságot mér 1 -3 mm alaphibával és 1 -3 mm/km távolságfüggő hibával c) A műszer és a prizma közötti ferde távolságot határozza meg 1 -3 mm alaphibával és 1 -3 mm/km távolságfüggő hibával
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Általános- és Felsőgeodézia Tanszék Geodézia I. (BSc) Itt a hatodik előadás vége
- Slides: 50