电磁波测距

已知：时标脉冲频率f=15 MHz,电磁波速度C=3×10E+8 m/s, 时标脉冲个数 n=100。
求： 距离 D。
D= 1/f × n×C / 2= 1000 米
测距前，电子门是关闭的，时标脉冲不能进入计数系统。 测距时，在光脉冲发射的瞬间，主脉冲把电子门打开，时标脉 冲就一个一个经过电子门进入计数系统，计数系统开始记录脉 冲数目。当回波脉冲到达时电子门关闭，计数系统停止计数， 计数系统记录下来的脉冲数目就是所测距离值。
光脉冲发射器
光电接收器
电
子
时标脉冲
门
振荡器
取样棱镜
脉冲法测距的工作原理框图
计数及显 示系统
t 2D nt （光脉冲在测线上往返传播的时间）
D
1 2
Ct2 D
D C nt nd 2
只要选定一个d值(10m、 5m、1m)，记录计数系 统的脉冲数目n，就可把 所测距离（nd）显示出 来。
式中:n为时标脉冲的个数；d=C·t/2，即在时间t内光脉冲 所走的一个单位距离。
4.1.1 调制的意义和分类
光波调制：使光波的振幅、频率或相位发生有规律变化的 过程。调制有调幅、调频、调相三种。激光测距仪大多用调幅。
电磁波测距仪中的光波调制是利用了某些物体在外信号的 作用下所具有的物理现象和效应（如光电效应、磁光效应，声 光效应等），其完成调制过程。激光器和调 制器是一个整体。GaAs半导体激光器或发光二极管。
4.2.1 电磁波和电磁波谱 电磁波：根据麦克斯韦电磁场理论,变化的电场能够在它
的周围引起变化的磁场,这个变化的磁场又在较远的区域内 引起新的变化电场,并在更远的区域内引起新的变化磁场。 这种变化的电场和磁场交替产生,以有限的速度由近及远在 空间内传播的过程称为电磁波。
不同的波源产生不同的电磁波。
除原子钟10e12s外无如此精密时标423电磁波测距仪的分类按测定t的方法相位式测距仪脉冲式测距仪按载波微波测距仪微波红外测距仪激光测距仪光波公里以下短程数公里至十多公里中程几十公里长程单载波可见光红外光微波双载波可见光与可见光可见光与红外光三载波可见光可见光和微波可见光红外光微波按反射目标非同频载波应答机同频载波应答机有源反射器角反射镜平面反射镜合作目标非合作目标漫反射目标徕卡徕卡distodistoa3a3手持测距仪手持测距仪a代表固定误差单位mm主要由仪器加常数的测定误差对中误差测相误差等引起
4.3.1 脉冲法测距的基本原理
脉冲法测距就是直接测定仪器所发射的脉冲信号往返于被 测距离的传播时间以获得距离。
由光脉冲发生器发射出一束光脉冲，经发射光学系统投射 到被测目标。与此同时，由取样棱镜取出一小部分光脉冲送 入接收光学系统，并由其转换为电脉冲（主脉冲，作为计时 的起点，电子门打开)。从被测目标反射来的光脉冲通过接收 光学系统后，也被光接收器接收，并转换为电脉冲（回波脉 冲，作为计时的终点，电子门关闭)。主脉冲与回波脉冲间的 时间间隔即为光脉冲在测线上的往返传播时间t2D。
光 强
光 强
t
t
4.1.3 光电转换 在光电测距仪中，接收器的信号为光信号。为了将此信
号送到相位器进行相位比较，必须把光信号变为电信号。
采用光电转换器件（光电二极管）将光信号转变为电信 号。测距仪中常用的光电转换器件有光电二极管（光电效应） 和光电倍增管（光电效应、放大效应） 。
4.1.4 光电混频
镜
信 号
ｅ参
基准混频
测距信号
测距混频
ｅ测
测相
高频 低频
高频 低频
1） 光源 （1）砷化镓（GaAs）二极管 （2）氦-氖（He-Ne）气体激光器
2） 调制器
3） 棱镜反射器
4） 光电转换器件 （1） 光电二极管和雪崩光电二极管
1 基本原理
相位法测距：测量连续的调制信
号往返传播产生的相位变化间接测定
时间，求得距离。
ｅ参
由载波源产生的光波（或微波）经
调制器被高频电波所调制，成为连续
调制信号。该信号经测线达到反射器，
ｅ测
经反射后被接收器所接受，再进入混
频器，变成低频测距信号ｅ测。另外在 高频电波对载波进行调制的同时，仪
器发射系统还产生一个高频信号，此
4.1 4.2 4.3 4.4 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.13
电光调制和光电转换 电磁波测距仪分类 脉冲法测距的基本原理及应用 相位法测距的基本原理及应用 光波测距仪的合作目标 光波测距仪的检验 电磁波在大气中的传播 光波测距成果的归算 光波测距的误差来源及精度估计 全站仪原理
4.４.1 相位法测距的基本原理及基本公式
Wild DI 3000红外测距仪：一 般大气条件下用单棱镜测距可 达6km，在特别好的大气条件下， 使用11块棱镜测距可测至14km。 标称精度±(3mm+1ppm·D)。
第四章 电磁波测距仪及其距离测量
4.1 4.2 4.3 4.4 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.13
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电磁波：γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微 波、无线电波。
电磁波谱图：电磁波在真空中传播的波长或频率递增或 递减顺序排列。
4.2.2 电磁波测距基本原理公式
入射光 出射光
通过测定电磁波（无线电波或光 波）在待测距离两端点间往返传 播的时间，利用电磁波在大气中 的传播速度来确定其距离
设电磁波在大气中传播速度为C，当它在距离D上往返一次 的时间为t2D，则有：
D
1 2
Ct2 D
1975年，IUGG将真空中的C值定为299792458±1.2m/s，
在大气中传播也可达到10E-06精度，对距离的结果可忽略。
核心问题是解决测时问题。
差之ns，错之 dm。
D
1 2
ct2D
1 2
3108
10 9
0.15m
测定t方法有： ①直接测时（脉冲法）--脉冲式测距仪:直接测定仪器所发 射的脉冲信号往返于被测距离的传播时间以获得距离。 ②间接测时（相位法）--相位式测距仪:测定仪器所发射的 测距信号往返于被测距离的滞后相位φ来间接推求信号的传播 时间以获得距离。
由于脉冲在路程中经历时间太短，通常用记录高频振荡晶 体的振动次数计算时间，自动完成。
脉冲式测距是由测距仪发射系统发射一种脉冲波，被目 标反射回来，再由仪器接收器接收，仪器的显示系统显示 出光脉冲往返传播的时间，或直接显示距离。
时标脉冲
触
脉冲发射
反
电子门
发
射
器
脉冲接收
器
计数显示
A
D
B
4.3.2 脉冲法测距的基本结构
按载波
光波 激光测距仪, 红外测距仪 微波 微波测距仪
按载波数
单载波 可见光,红外光, 微波 双载波 可见光与可见光,可见光与红外光 三载波 可见光可见光和微波,可见光红外光微波
按反射目标
漫反射目标(非合作目标) 合作目标 平面反射镜, 角反射镜 有源反射器 同频载波应答机, 非同频载波应答机
第四章 电磁波测距仪及其距离测量
4.1 4.2 4.3 4.4 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.13
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4.2.4 电磁波测距仪的分级
电磁波测距仪的精度公式： mD =A+B·D
A代表固定误差，单位mm，主要由仪器加常数的测定误 差、对中误差、测相误差等引起。该误差与测量的距离无关， 即不管实际距离多长，都存在不大于该值的固定误差（1-
5mm）。 B代表比例误差系数。主要由仪器频率误差、大气折射率 误差引起。B的单位为ppm，是百分之几的意思，它由生产厂 家 给定，用来表征比例误差中比例的大小，为一固定值。一般在 1-5ppm之间。D的单位为Km，即D*10-6mm,为一变化值。一 现旦行距《城市测量规范》将电磁波测距仪划分为以下几级： 离确定Ⅰ，级则：比m例D误≤差5m部m分;就会确定。
Ⅱ级：5mm< mD ≤10mm; Ⅲ级：10mm< mD ≤20mm。
常州大地仪器厂 D3030 测距仪
徕卡DI4-4L手持测距仪 徕卡 DI1001 测距仪
日本尼康 ND-21 测距仪
ME5000精密激光测距仪：是瑞士Kern厂的近期产品。 测程 单棱镜 约4km 三棱镜 约8km 精度 ±（0.2mm+0.2×10-6）内分辨力为0.01mm 光源 He-Ne激光器，波长0.632 8μm 调制频率 约500MHz 作业温度 -10～+40t
m 0.360
相位法测距
欲达10E-10s的测时精度，难；但达 0.的360测相精度易于实 现。故电磁波测距仪中相位式测距仪居多。
除原子钟(10E-12s) 外无如此精密时标
4.2.3 电磁波测距仪的分类
按测定t的方法
脉冲式测距仪 相位式测距仪
徕卡 DISTO A3手持测距仪
按测程
长程 几十公里 中程 数公里至十多公里 短程 3公里以下
直接测时这类脉冲式测距仪，因其精度较低，以前通常只用 于精度较低的远距离测量、地形测量、免棱镜和炮瞄雷达测距， 现在可用于高精度测距。
D
1 2
Ct2 D
f 15MH z
t2D 2f
D c 4f
f为调制信号的频率
c 3108 m s mD 10mm
脉冲法测距
mt2 D
2 1010 s 3
采用砷化镓（GaAs）二极管发射红外光的红外测距仪， 发射光强直接由注入电流调制，发射一种红外调制光，称为 直接调制，故不再需要专门的调制器。但是采用氦氖激光等 作光源的相位式测距仪，必须采用一种调制器，其作用是将 测距信号载在光波上，使发射光的振幅随测距信号电压而变 化，成为一种调制光。
调制光
GaAs发光管
信号经混频器混频后成为低频参考信
号ｅ参。ｅ测和ｅ参在比相器中进行相 位比较，由显示器显示出调制信号在
两倍测线距离上传播所产生的相位移，
或者直接显示出被测距离值。
2 基本结构
相位法测距就是测定调制信号在待测距离上往返传播所 产生的相位移。
晶体震荡器
发光二极管
发射光路
反
参
射
考
本机震荡器
光电二极管
接收光路
的光脉冲重叠。
mD 10mm
mt2 D
2 1010 s 3
f 15000MH z
目前仅达到150-300MHz，即测距精度只能达到0.51.0m。但将非整脉冲加以细分，用扫描电压高压器确定下来， 提高到mm级精度。
脉冲式测距 主要优点：测程远。 主要缺点：由于脉冲宽度和计数器时间分辨力的限
制，所以应用于精密距离测量受到限制。
打开电源，激光器发出一个很窄的光脉冲经发射单元发射，同时极小 一部分光进入接收单元作为参考信号，标定激光发出时间；参考信号进入 接收单元后经滤光片到达光电转换器（光电二极管、光电倍增管），使光 信号变为电信号，经放大整形电路后送到时间测量系统开始计时。
射向目标的光脉冲，由反射镜反射回接收单元成测距信号，经滤光片、 光电转换器、放大整形电路进入时间测量系统使其停止计时。
光电倍增管本身是一个混频器，有混频作用—把高频信号 变为中、低频信号，不需专设混频线路。
第四章 电磁波测距仪及其距离测量
4.1 4.2 4.3 4.4 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.13
电光调制和光电转换 电磁波测距仪分类 脉冲法测距的基本原理及应用 相位法测距的基本原理及应用 光波测距仪的合作目标 光波测距仪的检验 电磁波在大气中的传播 光波测距成果的归算 光波测距的误差来源及精度估计 全站仪原理
外调制：激光器和调制器是分离的两个部分。激光器发出一
定光强的光束，通过调制后，成为强度不断变化的光波。He-
Ne激光器。J
J
I0
调制器
t
t
原振幅不变
Jm=I0·sinωt
4.1.2 晶体电光调制
电光调制：利用调制器（外调制）使相位差呈不断的周 期性变化。
分类：DKDP调制器（起偏片、双折射晶体、检偏片）， 克尔盒调制器。
时间测量系统记录的时间（参考信号与测距信号进入时间测量系统的时 间差）经译码后在显示器上显示出所测距离。
参考信号
测距信号
4.3.3 脉冲法测距对光脉冲的要求
脉冲法测距对光脉冲的要求： （1）具有足够的强度：光源能发射出较高功率密度的光强保
证测程和精度。 （2）具有良好的方向性：保证光源的射程较远。 （3）具有良好的单色性:提高接收系统的信噪比,保证精度。 （4）具有很窄的脉冲宽度：避免反射回来的光脉冲和发射出
目前脉冲式测距仪，一般用固体激光器发射出高频率的 光脉冲，因而这类仪器可以不用合作目标（如反射器），直 接用被测目标对光脉冲产生的漫反射进行测距，在地形测量 中可实现无人跑尺，从而减轻劳动强度，提高作业效率，特 别是在悬崖陡壁的地方进行地形测量，此种仪器更具有实用 意义。
第四章 电磁波测距仪及其距离测量