环境参数自动测量系统的设计.doc
第xx卷x Chen Yang等：基于传感器阵列的现场基线环境参数测量系统的开发PAGE \ * MERGEFORMAT 6 Vol。 xx号x Chen Yang等：基于传感器阵列PAGE \ * MERGEFORMAT 5的现场基线环境参数测量系统的开发接收日期：2017-08-xx；修订日期：2018-xx-xx关于作者：陈阳（1991-），女，安徽池州人，中国暨梁大学研究生，主要研究方向是油田基线溯源技术。通讯作者：李双。 。基于传感器阵列的野外基线环境参数自动测量系统的开发陈扬摘要：激光传播路径上空气折射率的校正误差是影响野外精密测距仪精度的主要因素。为了确保现场测量的准确性，已经开发了一套环境参数自动测量系统，该系统通过排列密集的温度，压力和湿度阵列来精确测量光路温度，压力和湿度以及其他环境参数传感器沿视场基线校正空气折射率。为了研究由开发的环境参数测量系统的空气折射率校正误差引起的距离测量不确定度，采用μ基距离计在不同气候条件下进行验证实验，实验测量距离为144 m。实验结果表明，利用该系统对环境参数进行测量并校正空气的折射率，校正误差带来的测距不确定性优于3.0×10-7（k =2)。
关键字：计量学；激光;空气折射率；传感器;绝对测距仪。中文图书馆分类号：TB92文件标识号：A文章号：00-00基于传感器阵列的室外基线环境参数测量系统的开发摘要：影响激光传播路径的空气折射率校正误差是影响激光传播路径的主要因素。使用精密测距仪在室外测量距离时的准确性，为确保距离测量的准确性，开发了一套环境参数自动测量系统，该方法通过沿室外基准线部署密集的传感器阵列，包括温度传感器，气压传感器和湿度传感器，测量光路上的空气温度，气压和湿度以及其他环境参数，进行空气折射率校正。为了分析所开发系统的空气折射率校正误差引入的测距不确定性，采用μ基测距仪在不同气候条件下进行测距实验。测量距离为144 m。实验结果表明，利用该系统测量环境参数，进行空气折射率校正，由空气折射率校正误差引入的测距不确定度优于3.0×10-7（k =2)）。 1引言野外距离测量广泛应用于武器制导，铁路勘测，大型工程监控等领域，目前野外基准测量方法主要有24 m因子。瓦特基线测量方法，Visera光学干涉测量法和精密测距仪测量方法[1]，这三种方法在测量场基线时需要考虑场环境参数对测量结果的影响。
24 m Invar基线标尺在测量过程中会受到温度和风干扰的影响[2]。 Visera光学干涉法使用光学倍增原理进行干涉测量，对环境的要求非常严格。环境参数的变化会影响大气的抖动，很难观察到干涉条纹，同时会引起空气折射率的变化，从而影响测量结果[3]。与Invar基线测量方法和Visera光学干涉测量方法相比，精密测距仪测量方法具有操作简单，适用范围广的优点[4]，但由于精密测距仪使用激光波长作为长度参考，因此基准是在真空中定义。当使用精密测距仪进行场基线测量时，激光波长受空气折射率的影响，因此有必要测量空气的折射率[5]以校正折射率。本文主要研究场精密测距仪测距中折射率的校正方法和校正误差。空气折射率的测量方法主要分为折射率干涉法和空气参数测量方法两类。折射率干涉仪的测量精度可以达到10-9 QUOTE 10-9的数量级，但是该测量系统很复杂，通常在实验室环境中使用。空气参数测量方法使用经验公式通过测量环境参数来获取空气的折射率。只要准确测量环境参数，测量精度就可以达到10-8 [6,7]的数量级，适合于现场的快速变化。 Edlén最早在1953年给出了空气折射率公式。经过学者的不断改进，Edllen公式的理论精度为3×10-8 QUOTE 3×10-8 ADDIN NE.Ref。{4D56E51C-A8D9 -4D15-B67C-77AAFE565610} [8]。
目前，空气参数测量方法主要用于测量空气折射率。光电测距仪，例如各个制造商的绝对测距仪和全站仪，都使用空气参数测量方法来校正测得的空气折射率距离[9]；为了提高野外空气折射率的测量精度，在2010-2011年期间，德国联邦物理技术研究所在600 m野外基线上部署了密集传感器，以构建环境参数自动测量系统。目前，该系统正在测距过程中。测量线温度测量引入的不确定度为1.4×10-7L，气压测量引入的不确定度为5.4×10-8L，湿度测量引入的不确定度为2.0 ×10 -8L [10];目前，中国还没有针对田间基线环境参数的自动测量系统。本文设计了一种用于室外环境参数的自动测量系统，以测量环境参数，例如光路上的温度，气压和湿度，并在使用精密测距仪测量距离时校正空气的折射率。 2环境参数自动测量系统的设计环境参数测量系统的设计与各种环境参数的测量精度要求，传感器精度，传感器数量，传感器布置以及辅助测量设备的精度密切相关。本节以μ-base为基础来测量距离自动测量设备，以仪器为例，分析每种环境参数的测量误差对距离测量结果的影响因素，设计出环境参数测量系统。 2.1环境参数影响因素分析μ基测距仪的距离测量误差（MPE）为10μm，μ基测距仪的空气折射率校正公式为（1)〜（3)显示。
（1)（2)（3)，其中T是气温（℃），P是气压（hPa），R是相对湿度（％RH），Ngr是温度T，相对湿度为R时，空气组的折射率； DADM为折射率为Ngr时的距离值； D0为标准状态（T = 12℃，P = 101 3.25 hPa， R = 60％RH）根据公式[1)〜（3)，场空气折射率的校正误差的主要来源是气温，气压和相对湿度。通过比较DADM QUOTE NGr找到偏导数并将其代入标准状态下的空气参数值，以获得每个参数的影响因子：（4)（5)（6)公式（4)，（5)，（6)表示测量距离为1 m时，温度测量误差为1.0℃，气压测量误差为1 hPa，相对湿度测量误差为1％RH。分别为1.02μm和0.28μm，0.0058μm。从分析结果可以看出，由空气温度测量误差引起的距离测量误差远大于空气压力和湿度的测量误差。现场基线环境不可控，沿基线的温度场不均匀，温度变化很大。多传感器测量方法用于沿基线测量环境参数，例如温度和气压，以减少测量误差。在本文中，选择了60个高精度温度传感器，3个气压传感器和13个湿度传感器并沿基线布置。 ，建立环境参数自动测量系统，以沿野外基线光路对环境参数进行测量，减少环境参数的测量误差，减少野外测距的不确定性。
2.2由硬件组成开发的环境参数自动测量系统位于中国计量科学研究院昌平校区的现场基准线上。图1显示了环境参数自动测量系统的传感器布局。该系统包括温度测量部分，大气压力测量部分和湿度测量部分。图1自动环境参数测量系统T—温度传感器的传感器布置图； H-湿度传感器； P—压力传感器； DF—温度控制柜； M—观测墩2.2.1为了准确测量基线测量线上的温度值，实时变化在1176 m范围内，以20 m的间隔布置60个Pt-100铂电阻传感器，传感器的安装位置等于光路，距光路的距离约为0. 7 m。为了减少典型的温度误差，传感器固定在辐射防护屏中，并且始终处于通风状态。该传感器与2通道温度测量桥F200结合使用以进行温度测量。校准后，测量不确定度优于0. 01℃（k =2)在（-20〜40)℃）之间。2.2.2]部件位于同一光路上，总高度约为5.3 m。为了测量光路上的气压值，将它们安装在基线的前，中和端1气压传感器PTB330 。传感器安装位置与光路之间的高度差小于1 m，与光路的距离约为1 m。校准后，传感器的测量不确定度在（500〜 1100) hPa 07 hPa（k =2）。
2.2.3湿度测量部分用于测量测量线上的湿度值。在1176 m的范围内，以大约100 m的间隔安装13个相对湿度传感器HMP155，传感器的安装位置和光路高度差应小于1 m，距离光路约1 m。传感器已校准，相对湿度（0〜90)％RH范围，传感器测量不确定度优于1％RH（k =2），（90〜100)％RH范围，传感器测量不确定度优于1.7％RH（k =2）。3环境参数计算方法3.1温度计算方法平均温度通过等效面积方法计算：测量距离为D，在范围内D包括n个温度传感器，参与计算的温度传感器的数量为n + 2，如图2所示，测距仪器的安装位置记录为lme，估算的仪器安装位置温度为tme，镜安装位置为lob，镜安装位置的估计温度为tob，每个传感器的测量值为ti，每个传感器的位置为li，边长为D且平均温度为矩形的矩形区域待定计算出的是S，则S等于图中阴影部分的面积，用于计算平均温度T的公式显示在公式中[7)，（8)。图2温度传感器分布[7)（8)其中（9)（10)（1 1)（12)（13) 3.2测量范围D，根据测距仪，反射镜和气压传感器的位置，通过插值法计算出测线的平均气压P，图3为平均气压P的计算示意图。仪器附近的气压传感器和反射镜位置的两端分别指示值P0 QUOTE P0和P1。
仪器和反射镜的压力值为P0'，P1'，仪器光路中心与两端的空气传感器之间的高度差为Hme-，-Hme，且高度差反射镜的光路中心与两端的气压传感器之间的距离为Hob-，-Hob。 （1 4)中显示了测量线平均压力P的计算公式。图3压力计算（1 4)的示意图，其中：（1 5)（1 6) 3.3湿度计算方法在测量范围之内D以距离测量仪内外的湿度传感器的平均值和反射镜为测量线的平均湿度4实验与分析旨在分析空气折射率校正误差大气折射率校正带来的系统发展和距离测量的不确定性的影响依托中国计量科学研究院昌平基准场，该实验是在不同气候条件下进行的，实验时间为2017年7月28日（多云）4.1实验计划：在观测码头JX4和JX3上分别安装了μ型测距仪和RRR 1.5“反射镜。两个观测码头之间的距离约为144 m，包括10个温度传感器，2个气压传感器和3个湿度传感器。在测量过程中，每隔11 s独立收集一次μ基测距仪的距离指示以及测量线上的温度，压力和湿度值。 μ基测距仪的环境参数设置为标准状态。 ，无实时校正。通过以下两种方法分析数据：将所有上述温度，湿度和气压平均值取整来校正空气折射率的方法称为多点法；仅用μ基座测距仪和RRR 1.来通过5“反射器的两个位置的平均温度，总湿度和平均气压校正空气折射率的方法称为两点法。
4.2数据分析方法是最小化该领域其他因素引起的误差。我们在不同时间段截取了15分钟的数据进行分析。总共拦截了六组，其中7月28日和30日被拦截。三组。将μ基测距仪的距离指示记录为D0、D1……Di，并根据公式（1 7)。（1 7)）计算Di相对于开始时间D0的相对变化ΔDi。记录线上位环境参数自动测量系统的平均温度为...，平均气压为，...，平均湿度为...。因为在实验中，μ的距离显示值为收集基础测距仪并自动收集环境参数，测量系统的采集无法同步，存在一定的时差，时差小于11 s，为减少时间的同步误差，取距离计的距离采集时间前后的环境参数平均值，并用μ基距离计校正。公式（1)〜（3)计算，....公式（1 8)计算相对c关于开始时间的问题。 （1 8)根据公式[1)〜（3)可以看出，在场测距过程中，两点D的距离在不同时间，不同时间和折射率的变化主要与折射率有关两点之间的空气指数。计算公式如式（1 9)。（1）9)）可以通过校正后的空气折射率相对误差来描述开发的环境参数测量系统的校正效果，即ΔDi和ΔDni之差与距离之比。相对误差根据公式（20)和计算的标准偏差计算。（20)），以相同的方式计算距离值两点法校正后的空气折射率的变化和相对于初始时间的相对变化，计算出空气折射率校正的相对误差和标准偏差。
4.3数据分析和处理首先，分析测量过程中的温度波动，并每11 s计算一次温度值的标准偏差。结果示于表1。从表中可以看出，在每个时间段内，温度值变化的标准偏差在0. 02℃以内。记录的气压值的变化在0. 03 hPa之内，每11 s的湿度值的变化在2％RH之内。以下将分析和处理不同气候条件下的测距结果。表1实验编号在11 s内的温度变化量。时间段11 s温度波动/℃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示出了通过多点法校正了六组实验之后的空气折射率校正Max（）的相对误差的最大值和相对误差的标准偏差。从表中可以看出，相对误差的最大值优于3.5×10-7，相对误差的标准偏差优于1.2×10-7。表2校正后的最大相对误差和标准偏差序列号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显示了使用两点法进行六组实验后，校正后的空气折射率Max（）的相对误差的最大值，并将其与Max（）进行比较，与两点法相比，多点法可使空气折射率校正的最大相对误差降低59.6％。
表3两点法和多点法来校正相对误差序列号的最大值Max（）Max（）减小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显示了在六组实验中通过多点法和两点法计算出的空气折射率的相对误差的标准偏差。与两点法相比，多点法可以使空气最大化。折射率校正的相对误差的标准偏差降低了46.7％。表4用两点法和多点法校正标准偏差的相对误差。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％比较每组实验中所有采样点的相对误差（每11个采样s，收集15分钟），采用两点法和多点法校正空气折射率的相对误差，并绘制相对误差图。图4显示了第一组实验中所有采样点的空气折射率校正的相对误差的线图。从图中可以看出，它明显优于整个时间段。
图4第一组实验的空气折射率校正的相对误差图5显示了第二组实验的所有采样点的空气折射率校正的相对误差。从图中可以看出，在整个时间段内，它也明显更好。图5第二组实验的空气折射率校正的相对误差。图6显示了第四组实验中所有采样点的空气折射率校正的相对误差。从图中可以看出，它明显优于整个时间段。 。图6第四组实验的空气折射率校正的相对误差4.4结果分析实验中μ基指示的变化是空气折射率变化和激光波长误差的综合反映，但总之那时，空气折射率的变化是主要影响因素。分析表2中所示的六组实验结果，我们可以看到，在上述不同气候条件下，将空气折射率校正相对误差的标准偏差的两倍作为由空气折射率引入的距离测量不确定度，不确定度优于3.0×10-7（k =2)。对表3、中所示结果的分析表明，与两点法相比，已开发的自动环境参数测量系统采用多点法对空气进行折光校正后，空气折光校正的相对误差最大值和相对误差的标准偏差有了较大的提高自动测量设备，在六个实验中，相对误差可以降低59.6％，相对误差的标准偏差可以降低46.7％。5结论本文开发了一种用于现场基线环境参数的tomatic测量系统，配有密集的温度，压力和湿度传感器阵列，用于测量基线光路温度，压力和湿度值，并提供每种环境参数的计算方法。
在不同的气候条件下，进行了野外测距实验，分析了使用该系统的多点法校正空气折射率的方法和校正误差。实验结果表明，与两点法相比，空气折射率校正相对误差的最大值和相对误差的标准偏差均有较大提高。在六组实验中，由系统的空气折射率引入的距离测量的不确定性极好。在3.0×10-7（k =2)中。面对不可控制的场基线环境，空气折射率与传感器安装位置，传感器采样延迟和环境参数估计算法密切相关。在上述方向上将进行进一步的研究，以充分发挥已开发系统在环境参数领域的测量优势，并进一步提高现场测量的准确性。田野基线[J]。测绘通报，2012（3)：48-52.李建双，梁平，赵艳等。野外长距离标准-24m Invar基线测量的可靠性值[J]。计量学报，2008，29（s 1)：74-76.Jokela J，H？kli P. Nummela标准基线在2005年和2007年的干扰测量[M]。201 0.刘志超，张泽宇，朱建军。ME5000测长仪标定距离测量解决基准[J]。测量技术，2013，33（5)：63-65.张宇，郝文辉。大气介质对电磁波测距精度的影响[J]。无线电科学，2006，21（4)：632-634.叶晓有，甘晓川，常海涛等。利用环境参数法提高空气折射率测量精度的研究[J]。计量学报，2008,29（s 1) ：69 -73.倪育才。空气折射率的Edlin公式的修正[J]。计量技术，1998（3)：22-27.Birch KP，Downs M J.对更新的Edlén方程的校正许仲阳。全站仪的气象校正及其公式推导[J]。计量科学，1994，31（4)：315-316.大会2002年Pollinger F，Meyer T，Beyer J等人。升级后的PTB 600 m基线：用于校准和开发长距离测量仪的高精度参考后备设备[J]。测量科学与技术，2012，23（9)：2910-2916.
