環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)的設(shè)計.doc

第xx卷x Chen Yang等：基于傳感器陣列的現(xiàn)場基線環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)的開發(fā)PAGE \ * MERGEFORMAT 6 Vol。 xx號x Chen Yang等：基于傳感器陣列PAGE \ * MERGEFORMAT 5的現(xiàn)場基線環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)的開發(fā)接收日期：2017-08-xx；修訂日期：2018-xx-xx關(guān)于作者：陳陽（1991-），女，安徽池州人，中國暨梁大學(xué)研究生，主要研究方向是油田基線溯源技術(shù)。通訊作者：李雙。 ?；趥鞲衅麝嚵械囊巴饣€環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)的開發(fā)陳揚摘要：激光傳播路徑上空氣折射率的校正誤差是影響野外精密測距儀精度的主要因素。為了確?，F(xiàn)場測量的準確性，已經(jīng)開發(fā)了一套環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過排列密集的溫度，壓力和濕度陣列來精確測量光路溫度，壓力和濕度以及其他環(huán)境參數(shù)傳感器沿視場基線校正空氣折射率。為了研究由開發(fā)的環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)的空氣折射率校正誤差引起的距離測量不確定度，采用μ基距離計在不同氣候條件下進行驗證實驗，實驗測量距離為144 m。實驗結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)對環(huán)境參數(shù)進行測量并校正空氣的折射率，校正誤差帶來的測距不確定性優(yōu)于3.0×10-7（k =2)。

關(guān)鍵字：計量學(xué)；激光;空氣折射率；傳感器;絕對測距儀。中文圖書館分類號：TB92文件標識號：A文章號：00-00基于傳感器陣列的室外基線環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)的開發(fā)摘要：影響激光傳播路徑的空氣折射率校正誤差是影響激光傳播路徑的主要因素。使用精密測距儀在室外測量距離時的準確性，為確保距離測量的準確性，開發(fā)了一套環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)，該方法通過沿室外基準線部署密集的傳感器陣列，包括溫度傳感器，氣壓傳感器和濕度傳感器，測量光路上的空氣溫度，氣壓和濕度以及其他環(huán)境參數(shù)，進行空氣折射率校正。為了分析所開發(fā)系統(tǒng)的空氣折射率校正誤差引入的測距不確定性，采用μ基測距儀在不同氣候條件下進行測距實驗。測量距離為144 m。實驗結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)測量環(huán)境參數(shù)，進行空氣折射率校正，由空氣折射率校正誤差引入的測距不確定度優(yōu)于3.0×10-7（k =2)）。 1引言野外距離測量廣泛應(yīng)用于武器制導(dǎo)，鐵路勘測，大型工程監(jiān)控等領(lǐng)域，目前野外基準測量方法主要有24 m因子。瓦特基線測量方法，Visera光學(xué)干涉測量法和精密測距儀測量方法[1]，這三種方法在測量場基線時需要考慮場環(huán)境參數(shù)對測量結(jié)果的影響。

24 m Invar基線標尺在測量過程中會受到溫度和風(fēng)干擾的影響[2]。 Visera光學(xué)干涉法使用光學(xué)倍增原理進行干涉測量，對環(huán)境的要求非常嚴格。環(huán)境參數(shù)的變化會影響大氣的抖動，很難觀察到干涉條紋，同時會引起空氣折射率的變化，從而影響測量結(jié)果[3]。與Invar基線測量方法和Visera光學(xué)干涉測量方法相比，精密測距儀測量方法具有操作簡單，適用范圍廣的優(yōu)點[4]，但由于精密測距儀使用激光波長作為長度參考，因此基準是在真空中定義。當使用精密測距儀進行場基線測量時，激光波長受空氣折射率的影響，因此有必要測量空氣的折射率[5]以校正折射率。本文主要研究場精密測距儀測距中折射率的校正方法和校正誤差。空氣折射率的測量方法主要分為折射率干涉法和空氣參數(shù)測量方法兩類。折射率干涉儀的測量精度可以達到10-9 QUOTE 10-9的數(shù)量級，但是該測量系統(tǒng)很復(fù)雜，通常在實驗室環(huán)境中使用?？諝鈪?shù)測量方法使用經(jīng)驗公式通過測量環(huán)境參數(shù)來獲取空氣的折射率。只要準確測量環(huán)境參數(shù)，測量精度就可以達到10-8 [6,7]的數(shù)量級，適合于現(xiàn)場的快速變化。 Edlén最早在1953年給出了空氣折射率公式。經(jīng)過學(xué)者的不斷改進，Edllen公式的理論精度為3×10-8 QUOTE 3×10-8 ADDIN NE.Ref。{4D56E51C-A8D9 -4D15-B67C-77AAFE565610} [8]。

目前，空氣參數(shù)測量方法主要用于測量空氣折射率。光電測距儀，例如各個制造商的絕對測距儀和全站儀，都使用空氣參數(shù)測量方法來校正測得的空氣折射率距離[9]；為了提高野外空氣折射率的測量精度，在2010-2011年期間，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究所在600 m野外基線上部署了密集傳感器，以構(gòu)建環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)正在測距過程中。測量線溫度測量引入的不確定度為1.4×10-7L，氣壓測量引入的不確定度為5.4×10-8L，濕度測量引入的不確定度為2.0 ×10 -8L [10];目前，中國還沒有針對田間基線環(huán)境參數(shù)的自動測量系統(tǒng)。本文設(shè)計了一種用于室外環(huán)境參數(shù)的自動測量系統(tǒng)，以測量環(huán)境參數(shù)，例如光路上的溫度，氣壓和濕度，并在使用精密測距儀測量距離時校正空氣的折射率。 2環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)的設(shè)計環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)的設(shè)計與各種環(huán)境參數(shù)的測量精度要求，傳感器精度，傳感器數(shù)量，傳感器布置以及輔助測量設(shè)備的精度密切相關(guān)。本節(jié)以μ-base為基礎(chǔ)來測量距離自動測量設(shè)備，以儀器為例，分析每種環(huán)境參數(shù)的測量誤差對距離測量結(jié)果的影響因素，設(shè)計出環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)。 2.1環(huán)境參數(shù)影響因素分析μ基測距儀的距離測量誤差（MPE）為10μm，μ基測距儀的空氣折射率校正公式為（1)?（3)顯示。

（1)（2)（3)，其中T是氣溫（℃），P是氣壓（hPa），R是相對濕度（％RH），Ngr是溫度T，相對濕度為R時，空氣組的折射率； DADM為折射率為Ngr時的距離值； D0為標準狀態(tài)（T = 12℃，P = 101 3.25 hPa， R = 60％RH）根據(jù)公式[1)?（3)，場空氣折射率的校正誤差的主要來源是氣溫，氣壓和相對濕度。通過比較DADM QUOTE NGr找到偏導(dǎo)數(shù)并將其代入標準狀態(tài)下的空氣參數(shù)值，以獲得每個參數(shù)的影響因子：（4)（5)（6)公式（4)，（5)，（6)表示測量距離為1 m時，溫度測量誤差為1.0℃，氣壓測量誤差為1 hPa，相對濕度測量誤差為1％RH。分別為1.02μm和0.28μm，0.0058μm。從分析結(jié)果可以看出，由空氣溫度測量誤差引起的距離測量誤差遠大于空氣壓力和濕度的測量誤差?，F(xiàn)場基線環(huán)境不可控，沿基線的溫度場不均勻，溫度變化很大。多傳感器測量方法用于沿基線測量環(huán)境參數(shù)，例如溫度和氣壓，以減少測量誤差。在本文中，選擇了60個高精度溫度傳感器，3個氣壓傳感器和13個濕度傳感器并沿基線布置。 ，建立環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)，以沿野外基線光路對環(huán)境參數(shù)進行測量，減少環(huán)境參數(shù)的測量誤差，減少野外測距的不確定性。

2.2由硬件組成開發(fā)的環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)位于中國計量科學(xué)研究院昌平校區(qū)的現(xiàn)場基準線上。圖1顯示了環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)的傳感器布局。該系統(tǒng)包括溫度測量部分，大氣壓力測量部分和濕度測量部分。圖1自動環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)T—溫度傳感器的傳感器布置圖； H-濕度傳感器； P—壓力傳感器； DF—溫度控制柜； M—觀測墩2.2.1為了準確測量基線測量線上的溫度值，實時變化在1176 m范圍內(nèi)，以20 m的間隔布置60個Pt-100鉑電阻傳感器，傳感器的安裝位置等于光路，距光路的距離約為0. 7 m。為了減少典型的溫度誤差，傳感器固定在輻射防護屏中，并且始終處于通風(fēng)狀態(tài)。該傳感器與2通道溫度測量橋F200結(jié)合使用以進行溫度測量。校準后，測量不確定度優(yōu)于0. 01℃（k =2)在（-20?40)℃）之間。2.2.2]部件位于同一光路上，總高度約為5.3 m。為了測量光路上的氣壓值，將它們安裝在基線的前，中和端1氣壓傳感器PTB330 。傳感器安裝位置與光路之間的高度差小于1 m，與光路的距離約為1 m。校準后，傳感器的測量不確定度在（500? 1100) hPa 07 hPa（k =2）。

2.2.3濕度測量部分用于測量測量線上的濕度值。在1176 m的范圍內(nèi)，以大約100 m的間隔安裝13個相對濕度傳感器HMP155，傳感器的安裝位置和光路高度差應(yīng)小于1 m，距離光路約1 m。傳感器已校準，相對濕度（0?90)％RH范圍，傳感器測量不確定度優(yōu)于1％RH（k =2），（90?100)％RH范圍，傳感器測量不確定度優(yōu)于1.7％RH（k =2）。3環(huán)境參數(shù)計算方法3.1溫度計算方法平均溫度通過等效面積方法計算：測量距離為D，在范圍內(nèi)D包括n個溫度傳感器，參與計算的溫度傳感器的數(shù)量為n + 2，如圖2所示，測距儀器的安裝位置記錄為lme，估算的儀器安裝位置溫度為tme，鏡安裝位置為lob，鏡安裝位置的估計溫度為tob，每個傳感器的測量值為ti，每個傳感器的位置為li，邊長為D且平均溫度為矩形的矩形區(qū)域待定計算出的是S，則S等于圖中陰影部分的面積，用于計算平均溫度T的公式顯示在公式中[7)，（8)。圖2溫度傳感器分布[7)（8)其中（9)（10)（1 1)（12)（13) 3.2測量范圍D，根據(jù)測距儀，反射鏡和氣壓傳感器的位置，通過插值法計算出測線的平均氣壓P，圖3為平均氣壓P的計算示意圖。儀器附近的氣壓傳感器和反射鏡位置的兩端分別指示值P0 QUOTE P0和P1。

儀器和反射鏡的壓力值為P0'，P1'，儀器光路中心與兩端的空氣傳感器之間的高度差為Hme-，-Hme，且高度差反射鏡的光路中心與兩端的氣壓傳感器之間的距離為Hob-，-Hob。 （1 4)中顯示了測量線平均壓力P的計算公式。圖3壓力計算（1 4)的示意圖，其中：（1 5)（1 6) 3.3濕度計算方法在測量范圍之內(nèi)D以距離測量儀內(nèi)外的濕度傳感器的平均值和反射鏡為測量線的平均濕度4實驗與分析旨在分析空氣折射率校正誤差大氣折射率校正帶來的系統(tǒng)發(fā)展和距離測量的不確定性的影響依托中國計量科學(xué)研究院昌平基準場，該實驗是在不同氣候條件下進行的，實驗時間為2017年7月28日（多云）4.1實驗計劃：在觀測??碼頭JX4和JX3上分別安裝了μ型測距儀和RRR 1.5“反射鏡。兩個觀測碼頭之間的距離約為144 m，包括10個溫度傳感器，2個氣壓傳感器和3個濕度傳感器。在測量過程中，每隔11 s獨立收集一次μ基測距儀的距離指示以及測量線上的溫度，壓力和濕度值。 μ基測距儀的環(huán)境參數(shù)設(shè)置為標準狀態(tài)。 ，無實時校正。通過以下兩種方法分析數(shù)據(jù)：將所有上述溫度，濕度和氣壓平均值取整來校正空氣折射率的方法稱為多點法；僅用μ基座測距儀和RRR 1.來通過5“反射器的兩個位置的平均溫度，總濕度和平均氣壓校正空氣折射率的方法稱為兩點法。

4.2數(shù)據(jù)分析方法是最小化該領(lǐng)域其他因素引起的誤差。我們在不同時間段截取了15分鐘的數(shù)據(jù)進行分析?？偣矓r截了六組，其中7月28日和30日被攔截。三組。將μ基測距儀的距離指示記錄為D0、D1……Di，并根據(jù)公式（1 7)。（1 7)）計算Di相對于開始時間D0的相對變化ΔDi。記錄線上位環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)的平均溫度為...，平均氣壓為，...，平均濕度為...。因為在實驗中，μ的距離顯示值為收集基礎(chǔ)測距儀并自動收集環(huán)境參數(shù)，測量系統(tǒng)的采集無法同步，存在一定的時差，時差小于11 s，為減少時間的同步誤差，取距離計的距離采集時間前后的環(huán)境參數(shù)平均值，并用μ基距離計校正。公式（1)?（3)計算，....公式（1 8)計算相對c關(guān)于開始時間的問題。 （1 8)根據(jù)公式[1)?（3)可以看出，在場測距過程中，兩點D的距離在不同時間，不同時間和折射率的變化主要與折射率有關(guān)兩點之間的空氣指數(shù)。計算公式如式（1 9)。（1）9)）可以通過校正后的空氣折射率相對誤差來描述開發(fā)的環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)的校正效果，即ΔDi和ΔDni之差與距離之比。相對誤差根據(jù)公式（20)和計算的標準偏差計算。（20)），以相同的方式計算距離值兩點法校正后的空氣折射率的變化和相對于初始時間的相對變化，計算出空氣折射率校正的相對誤差和標準偏差。

4.3數(shù)據(jù)分析和處理首先，分析測量過程中的溫度波動，并每11 s計算一次溫度值的標準偏差。結(jié)果示于表1。從表中可以看出，在每個時間段內(nèi)，溫度值變化的標準偏差在0. 02℃以內(nèi)。記錄的氣壓值的變化在0. 03 hPa之內(nèi)，每11 s的濕度值的變化在2％RH之內(nèi)。以下將分析和處理不同氣候條件下的測距結(jié)果。表1實驗編號在11 s內(nèi)的溫度變化量。時間段11 s溫度波動/℃107-28 12：30-12：45 0. 020207-28 18：15-18：30 0. 009307 -28 22：00-22：15 0. 009407-31 14：30-14：45 0. 001507-31 17：10-17：25 0. 002607-31 18：10-18：250.009表2示出了通過多點法校正了六組實驗之后的空氣折射率校正Max（）的相對誤差的最大值和相對誤差的標準偏差。從表中可以看出，相對誤差的最大值優(yōu)于3.5×10-7，相對誤差的標準偏差優(yōu)于1.2×10-7。表2校正后的最大相對誤差和標準偏差序列號Max（）1 2.3×10-79.6×10-82 2.5×10-77.1×10-83 2.3×10-76.7×10-84 3.5×10-7 1.2×10-75 1.7×10-76.9×10-86 1.5× 10-74.8×10-8表3顯示了使用兩點法進行六組實驗后，校正后的空氣折射率Max（）的相對誤差的最大值，并將其與Max（）進行比較，與兩點法相比，多點法可使空氣折射率校正的最大相對誤差降低59.6％。

表3兩點法和多點法來校正相對誤差序列號的最大值Max（）Max（）減小1 5.7×10-7 2.3×10-759.6％24.0×10-7 2.5×10-737.5％3 2.8×10-7 2.3×10-717.9％46.5×10-7 3.5×10-746.2％5 2.7×10-7 1.7×10-737.0％6 2.0×10-7 1.5×10 -729.4％表4顯示了在六組實驗中通過多點法和兩點法計算出的空氣折射率的相對誤差的標準偏差。與兩點法相比，多點法可以使空氣最大化。折射率校正的相對誤差的標準偏差降低了46.7％。表4用兩點法和多點法校正標準偏差的相對誤差。下降1 1.8×10-79.6×10-846.7％2 1.3×10-77.1×10-847.0％37.8 ×10-86.7×10-814.1％4 1.8×10-7 1.2×10-73 3.3％58.7×10-86.9×10-82 0. 7％66.8×10-84.8×10-82 5.0％比較每組實驗中所有采樣點的相對誤差（每11個采樣s，收集15分鐘），采用兩點法和多點法校正空氣折射率的相對誤差，并繪制相對誤差圖。圖4顯示了第一組實驗中所有采樣點的空氣折射率校正的相對誤差的線圖。從圖中可以看出，它明顯優(yōu)于整個時間段。

圖4第一組實驗的空氣折射率校正的相對誤差圖5顯示了第二組實驗的所有采樣點的空氣折射率校正的相對誤差。從圖中可以看出，在整個時間段內(nèi)，它也明顯更好。圖5第二組實驗的空氣折射率校正的相對誤差。圖6顯示了第四組實驗中所有采樣點的空氣折射率校正的相對誤差。從圖中可以看出，它明顯優(yōu)于整個時間段。 。圖6第四組實驗的空氣折射率校正的相對誤差4.4結(jié)果分析實驗中μ基指示的變化是空氣折射率變化和激光波長誤差的綜合反映，但總之那時，空氣折射率的變化是主要影響因素。分析表2中所示的六組實驗結(jié)果，我們可以看到，在上述不同氣候條件下，將空氣折射率校正相對誤差的標準偏差的兩倍作為由空氣折射率引入的距離測量不確定度，不確定度優(yōu)于3.0×10-7（k =2)。對表3、中所示結(jié)果的分析表明，與兩點法相比，已開發(fā)的自動環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)采用多點法對空氣進行折光校正后，空氣折光校正的相對誤差最大值和相對誤差的標準偏差有了較大的提高自動測量設(shè)備，在六個實驗中，相對誤差可以降低59.6％，相對誤差的標準偏差可以降低46.7％。5結(jié)論本文開發(fā)了一種用于現(xiàn)場基線環(huán)境參數(shù)的tomatic測量系統(tǒng)，配有密集的溫度，壓力和濕度傳感器陣列，用于測量基線光路溫度，壓力和濕度值，并提供每種環(huán)境參數(shù)的計算方法。

在不同的氣候條件下，進行了野外測距實驗，分析了使用該系統(tǒng)的多點法校正空氣折射率的方法和校正誤差。實驗結(jié)果表明，與兩點法相比，空氣折射率校正相對誤差的最大值和相對誤差的標準偏差均有較大提高。在六組實驗中，由系統(tǒng)的空氣折射率引入的距離測量的不確定性極好。在3.0×10-7（k =2)中。面對不可控制的場基線環(huán)境，空氣折射率與傳感器安裝位置，傳感器采樣延遲和環(huán)境參數(shù)估計算法密切相關(guān)。在上述方向上將進行進一步的研究，以充分發(fā)揮已開發(fā)系統(tǒng)在環(huán)境參數(shù)領(lǐng)域的測量優(yōu)勢，并進一步提高現(xiàn)場測量的準確性。田野基線[J]。測繪通報，2012（3)：48-52.李建雙，梁平，趙艷等。野外長距離標準-24m Invar基線測量的可靠性值[J]。計量學(xué)報，2008，29（s 1)：74-76.Jokela J，H？kli P. Nummela標準基線在2005年和2007年的干擾測量[M]。201 0.劉志超，張澤宇，朱建軍。ME5000測長儀標定距離測量解決基準[J]。測量技術(shù)，2013，33（5)：63-65.張宇，郝文輝。大氣介質(zhì)對電磁波測距精度的影響[J]。無線電科學(xué)，2006，21（4)：632-634.葉曉有，甘曉川，常海濤等。利用環(huán)境參數(shù)法提高空氣折射率測量精度的研究[J]。計量學(xué)報，2008,29（s 1) ：69 -73.倪育才。空氣折射率的Edlin公式的修正[J]。計量技術(shù)，1998（3)：22-27.Birch KP，Downs M J.對更新的Edlén方程的校正許仲陽。全站儀的氣象校正及其公式推導(dǎo)[J]。計量科學(xué)，1994，31（4)：315-316.大會2002年P(guān)ollinger F，Meyer T，Beyer J等人。升級后的PTB 600 m基線：用于校準和開發(fā)長距離測量儀的高精度參考后備設(shè)備[J]。測量科學(xué)與技術(shù)，2012，23（9)：2910-2916.