Electrooptical Distance Measurements. Processing Distance Observations Budapest University of Technology and Economics, Department of Geodesy and Surveying Surveying II. (BSc) Lecture 1 Electrooptical Distance Measurements. Processing Distance Observations Lecturer: Szabolcs Rózsa (PhD) 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 (t0) modulated signal (t1)

Physical distance measurement A periodic, continuous measurement signal is used: the phase of the signal is measured at both ends of the distance (jA, jB) the propagation velocity must be known (l=v/f) measurement signal measurement signal measurement signal measurement signal measurement signal The number of cycles: The distance:

Issue of Time synchronization Transmitter Receiver One-way distance measurement time synchronization is problematic (3cm – 10-10s) Transmitter/Receiver Reflector Two-way distance measurement time synchronization is feasible the observed distance is the double of the original

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 Reflector Two-way distance measurement

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 Measurement of phase difference based on time delays: Original measurement signal 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: l1/2=1000m, n=Dj/2p=0,3212 D = 321,2 m Példa: l2/2=10m, n=Dj2/2p=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, 0,2mm+0,2ppm

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

And now, (DURING BUILD) – imagine a Total Station with GPS truly integrated for when you need control… or, imagine a GPS with a Total Station to hand when you can’t take a point with a GPS. There’s no need to imagine… We are very proud to introduce ‘Leica SmartStation’

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 And now, (DURING BUILD) – imagine a Total Station with GPS truly integrated for when you need control… or, imagine a GPS with a Total Station to hand when you can’t take a point with a GPS. There’s no need to imagine… We are very proud to introduce ‘Leica SmartStation’

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 And now, (DURING BUILD) – imagine a Total Station with GPS truly integrated for when you need control… or, imagine a GPS with a Total Station to hand when you can’t take a point with a GPS. There’s no need to imagine… We are very proud to introduce ‘Leica SmartStation’

Comparison of IR EDMs and DR EDMs Traditional EDMs (infrared light) Direct reflex EDMs Advantages: Definite reflection point Long range Higher accuracy Remote targets can be measured (points not accessible or in dangerous areas) A poleman is not needed Disadvantages: A reflector is needed Either a poleman or a robotic total station is needed. Reflection points is not definite, the light can be accidentally reflected from leaves or other objects in the line of sight Shorter range Lower accuracy And now, (DURING BUILD) – imagine a Total Station with GPS truly integrated for when you need control… or, imagine a GPS with a Total Station to hand when you can’t take a point with a GPS. There’s no need to imagine… We are very proud to introduce ‘Leica SmartStation’

Comparison of DR EDMs using time pulse and phase observations Time pulse observation Advantages: Higher accuracy Longer range Signal interruptions have a limited effect Disadvantages: Sensitive to signal interruption (e.g. traffic) Shorter range Lower accuracy And now, (DURING BUILD) – imagine a Total Station with GPS truly integrated for when you need control… or, imagine a GPS with a Total Station to hand when you can’t take a point with a GPS. There’s no need to imagine… We are very proud to introduce ‘Leica SmartStation’

Processing EDM observations The instrument-reflector constant c=cm+cp

Processing EDM observations Determination of the instrument-reflector constant It is true for the corrected distance, that: The corrected distances

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 100m hatótávolság, kb. +/-3mm 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 m2) 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. 3mm+3ppm pontosság az infravörös tartományban működő távmérőegység hatótávolsága több km, pontossága 1-3mm+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 1-3mm/km távolságfüggő hibával c) A műszer és a prizma közötti ferde távolságot határozza meg 1-3mm 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 1-3mm/km távolságfüggő hibával c) A műszer és a prizma közötti ferde távolságot határozza meg 1-3mm alaphibával és 1-3 mm/km távolságfüggő hibával

Itt a hatodik előadás vége Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Általános- és Felsőgeodézia Tanszék Geodézia I. (BSc) Itt a hatodik előadás vége