第章电磁波测距及其距离测量
电磁波测距的原理
电磁波测距的原理
电磁波测距的原理基于电磁波的传播速度恒定不变这一性质，利用发射器发送出的电磁波，经过被测对象的反射后被接收器接收到，然后通过测量电磁波从发射器到接收器的时间差，可以间接得出被测对象与测距设备之间的距离。
具体来说，电磁波测距可利用无线电波、雷达、激光测距等技术实现。
无论采用哪种技术，测距设备都包括一个发射器和一个接收器。
发射器会发出一定频率的电磁波，经过空气传播，当遇到被测对象时，部分电磁波会被对象反射回来并被接收器接收到。
电磁波测距的原理即是利用这部分反射的电磁波来计算距离。
当发射器发出电磁波后，通过计时器记录发射时刻，然后在接收器接收到反射的电磁波后立即停止计时，记录接收时刻。
通过计算发射和接收的时间差，再结合电磁波在真空中传播速度（近似等于光速），就可以推算出被测对象与测距设备之间的距离。
需要注意的是，由于电磁波在不同介质中传播速度会有所变化，所以在实际应用中需要根据介质的不同对测距结果进行修正。
另外，电磁波测距还需要考虑到多路径效应、噪声干扰等因素，以提高测距精度。
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。
电磁波测距
电磁波测距电磁波测距是用仪器发射并接收电磁波，通过测量电磁波在待测距离上往返传播的时间解算出距离。
一、概述电磁波测距是用电磁波（光波或微波）作为载波，传输测距信号，以测量两点间距离的一种方法。
与传统的钢尺量距和视距测量相比，具有测程长、精度高、作业快、工作强度低、几乎不受地形限制等优点。
电磁波测距的英文全称是：Electro－magnetic Distance Measuring，所以又简称为EDM。
电磁波测距仪按其所采用的载波可分为：①用微波段的无线电波作为载波的微波测距仪；②用激光作为载波的激光测距仪；③用红外光作为载波的红外测距仪。
后两者又统称为光电测距仪。
微波和激光测距仪多用于长程测距，测程可达60 km，一般用于大地测量；而红外测距仪属于中、短程测距仪（测程为15kffi以下），一般用于小地区控制测量、地形测量。
地籍测量和工程测量等。
本节主要介绍光电测距仪的基本原理和测距方法速发展～红外光电测距仪采用的是CaAs（砷化钦）发光二极管作为光源，不同的caAs发光二极管发光波长范围为0．82～0．93Pm。
由于GaAs发光管具有注人电流小、耗电省、寿命长、体积小、抗震性强及连续发光的特点，使测距仪体积大为减小。
近几年来又将光电测距仪与电子经纬仪和野外记录及数据处理器结合，；组成电子速测仪，同时进行角度和距离的测量，还能自动记录、存储、输出观测值及有关处理数据也能直接显示乎距、高差、坐标增量等，使测量工作大为简化。
所以红外测距仪在小面积的控制测量、地形测量和各种工程测量中得到广泛的应用。
二、红外测距仪基本原理若用红外测距仪测定AB二点间的距离D．如图5－12。
测距仪安置在A点，反光镜安置在B点。
由仪器发出的光束经过待测距离D到达反光镜，经反射回到仪器。
如果能测出光在距离D上往返传播为时间，则距离可按公式（5－19）求得。
如果测距仪发出的是光脉冲，通过测定发射的光脉冲和接收到波光脉冲的时间差t测定距离，称为脉冲法测距。
电磁波测距原理和其距离测量方式
D
2
c f1
1 2
f2 2
相位法测距的基本原理
▪ 相位法
间接测尺频率 相当于测尺频率 测尺长度 精度
f1=15MHZ
15MHZ
10m
1cm
f2=0.9f1
f1-f2=1.5MHZ 100m 10cm
f3=0.99f1 f4=0.999f1 f5=0.9999f1
f1-f3=150KHZ f1-f4=15KHZ f1-f5=1.5KHZ
相位法测距的基本原理
▪ 相位法
u D N 0 D u N
u增大，误差大
一组测尺： 精测尺保证精度 粗测尺保证测程
频率相差大 仪器不稳定
频率相近 频率差为测尺频率
测尺频率 15MHZ 1.5MHZ 150KHZ 15KHZ 1.5KHZ 测尺长度 10m 100m 1km 10km 100km
e1
Δφ
φ1 φ
ek e2
光波测距仪的检验
▪ 周期误差
▪ 改正计算公式
D0 d d 123
d n-1 n
▪ 平V台i 法 Asin(0 i )
D0 v0 D1z V1 K Asin(0 1) D0 v0 d D2z V2 K Asin(0 2 )
D0 v0 39d D40z V40 K Asin(0 40 )
1
D1z
2
360
i
1
d
(i
1)
2
360
1
(i
1)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
工程测量4距离测量
1.电磁波测距技术发展简介
A
B
反光镜 Reflecting Prism
(Reflector)
反射棱镜
Polemounted
Rotatable
Tribrachmounted
1.1 测距仪分类
按测距方式分
−脉冲式，以激光作光源 −相位式，以红外光作光源，近来还出现了以微波
4. 全站仪具有如下特点
博飞
Leica
Leica
Topcon
Nikon
4 实训室现有全站仪认识
苏一光 RTS612
1、仪器结构 该全站仪采用红外光测距装置，采用棱镜反射、反射片 反射。配备了普通光学气泡、屏幕显示电子气泡和激光 对中器，微动螺旋和制动螺旋同轴，竖盘指标自动补偿， 其他结构和电子经纬仪相同。
土木工程测量
§4 距离测量
§4 距离测量
§4.1 钢尺量距 §4.2 视距测量 §4.3 电磁波测距
一般介绍
在工程测量中使用三种距离：
− 斜距（slope distance）
− 水平距离（horizontal distance）
− 垂直距离或高差（vertical distance, height difference)
b)设A、B两点互相通视，要在A、B两点的直线上 标出分段点1、2点。
c) 两点间定线，一般应由远到近，即先定1点， 再定2点。
d) 定线时，乙所持标杆应竖直，利用食指和 姆指夹住标杆的上部，稍微提起，利用重 心使标杆自然竖直。此外，为了不挡住甲 的视线，乙应持标杆站立在直线方向的左
侧或右侧。
3．平坦地面的距离丈量
测量员岗位知识 第四章 距离测量
l l l0
l l l0
任一长的温度与钢尺检定时的温度不同，尺长会 发生变化。
lt (t t0 )l
式中： 0.0000125 / 10 C, 钢尺膨胀系数
•倾斜改正
lh d l (l 2 h 2 )1/ 2 l h 2 1/ 2 l[(1 2 ) 1] l h2 1 h4 l[(1 2 4 ) 1] 2l 8 l h2 2l
解： DAB nl q 4 30 m 9.98 m 129.98 m
DBA nl q 4 30 m 10.02 m 130.02 m
1 1 Dav ( DAB DBA ) (129.98 m 130.02 m) 130.00 m 2 2
DAB DBA 129.98 m 130.02 m 0.04 m 1 K Dav 130.00 m 130.00 m 3250
A
1
2
3
4
5
B
仪器定线：如下图
４．两点间互不通视的定线 如图4-7所示，设AB两点在山头两侧，互不通视。定 线时，甲持标杆选择靠近AB方向的①1点立标杆，① 1点要靠近A点并能看见Ｂ点。甲指挥乙将所持标杆 定在①1B直线上，标定出②1点位置，要求②1点靠近 B点，并能看见A点。然后由乙指挥甲把标杆移动到 ②1A直线上，定出①2点。这样互相指挥，逐渐趋近， 直到①点在A②直线上，②点在①B直线上为止。这 时①、②两点就在A、B直线上了。
量距记录表
工程名称：×-× ×× 钢尺型号：5#(30m) 日期：2006. 01.08 天气：晴天 量距：×××; × 记录：×××
测线
整尺 段
零尺段
总计
电磁波测距基本原理
§4.1 电磁波测距基本原理4.1.1 概述建立高精度的水平控制网，需要测定控制网的边长。
过去精密距离测量，都是用因瓦基线尺直接丈量待测边的长度，虽然可以达到很高的精度，但丈量工作受地形条件的限制，速度慢，效率低。
从六十年代起，由于电磁波测距仪不断更新、完善和愈益精密，它以速度快，效率高取代了因瓦基线尺，广泛用于水平控制网和工程测量的精密距离测量中。
随着近代光学、电子学的发展和各种新颖光源（激光、红外光等）相继出现，电磁波测距技术得到迅速的发展，出现了以激光、红外光和其他光源为载波的光电测距仪和以微波为载波的微波测距仪。
因为光波和微波均属于电磁波的范畴，故它们又统称为电磁波测距仪。
由于光电测距仪不断地向自动化、数字化和小型轻便化方向发展，大大地减轻了测量工作者的劳动强度，加快了工作速度，所以在工程控制网和各种工程测量中，多使用各种类型的光电测距仪。
光电测距仪按仪器测程大体分三大类：（1）短程光电测距仪：测程在3km以内，测距精度一般在lcm左右。
这种仪器可用来测量三等以下的三角锁网的起始边，以及相应等级的精密导线和三边网的边长，适用于工程测量和矿山测量。
这类测程的仪器很多，如瑞士的ME3000，精度可达±（0.2mm+0.5 ×10-6D）；DM 502、 DI3S、DI4，瑞典的AGA-112、AGA-116，美国的HP3820A，英国的CD6，日本的RED2，SDM3E，原西德的ELTA 2，ELDI2等，精度均可达±(5mm+5×10-6D)；原东德的EOT 2000，我国的HGC-1、DCH-2、DCH3、DCH-05等。
短程光电测距仪，多采用砷化镓（GaAs或GaAlAs）发光二极管作为光源（发出红外荧光），少数仪器也用氦-氖（He-Ne）气体激光器作为光源。
砷化镓发光二极管是一种能直接发射调制光的器件，即通过改变砷化镓发光二极管的电流密度来改变其发射的光强。
第四章距离测量..
精度
1cm 10cm
1m
10m 100m
控制LO测GO量
可以采用一组测尺共同测距，以短测尺（精 测尺）保证精度，长测尺（粗测尺）保证测 程，从而也解决了“多值性”的问题。 根据仪器的测程与精度要求，即可选定测尺 数目和测尺精度。
控制LO测GO量
❖ 当待测距离较长时，为了既保证必需的测距精度， 又满足测程的要求。在考虑到仪器的测相精度为千 分之一情况下，我们可以在测距仪中设置几把不同 的测尺频率，即相当于设置了几把长度不同、最小 分划值也不相同的“尺子”，用它们同测某段距离， 然后将各自所测的结果组合起来，就可得到单一的、 精确的距离值。
相位式测距仪：测定仪器发射的测距信号往返于被测距离的 滞后相位来间接推算信号的传播时间，从而求得所测距离的 一类测距仪。
控制LO测GO量
一、电磁波测距仪的分类
思考：取v=3*108m/s,f=15MHZ，当要求测距 误差小于1cm时，脉冲法测距的计时精度、相 位法测距时的测定相位角的精度应达到多少？
❖ 中程光电测距仪：测程在3～15km左右的仪器称为中程 光电测距仪，这类仪器适用于二、三、四等控制网的边 长测量。
❖ 远程激光测距仪：测程在15km以上的光电测距仪，精度 一般可达±(5mm+1×10-6），能满足国家一、二等控制 网的边长测量。
控制LO测GO量
一、电磁波测距仪的分类
3、按载波源，测距仪分为 光波 微波
各等级边长测距的主要技术要求，应符合下表的规定。
平面 控制 网等
级
三等
四等
一级 二、 三级
仪器型号
观测 次数
往返
≤ 5 mm级仪器 11
≤10 mm级仪器 ≤5 mm级仪器
电磁波测距及其距离测量
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
2020年5月13日4时42分
8
控制测量学
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
二、电磁波测距仪的分类 电磁波测距仪精度公式
mD A BD
A： 固定误差
BD ：比例误差 B : ppm 10 6
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控制测量学
4.9 测距成果的归算
2. 周期误差改正 周期误差是指按一定的距离为周期重复出现的误差，
详细地说就是指由于测距仪光学和电子线路的光电信号窜 扰而使待测距离尾数呈现按精测尺长为周期变化的一种误 差。
由专业机构进行检测，当测距精度要求较高，且振幅 值大于仪器固定误差的1/2时，应加此项改正。
4.10 误差来源及精度估计
测距精度指标
衡量仪器的测距精度，一是仪器的内部符合精度， 二是仪器的外部符合精度。
内部符合精度：指仪器对同一距离进行多次观测， 其观测值之间的符合程度。
它反映了仪器的测相误差以及外界大气条件的影响 外部符合精度：指用测距仪在基线上比测后，所得 到的量测值与基线比较而求得的精度指标。 每台仪器出厂时的标准精度也是外部符合精度。
当距离较远时，因受大气垂直折光的影响， 不是直线，是一条半径为的弧线。把弧长 化为弦长的改正称为第一速度改正。
Dg
D D
k2
24 R 2
D3
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控制测量学
4.9 测距成果的归算
第二速度改正：
电磁波传播速度随大气垂直折射率不同而有差异。实际 测距时，一般只是在测线两端测定气象元素，由此求出平 均值，代替严格意义下的测线折射率的积分平均值。由此 而产生的改正称为第二速度改正
电磁波测距原理公式
电磁波测距原理公式电磁波测距是一种常见且重要的测量技术，在我们的生活和科学研究中都有着广泛的应用。
要理解电磁波测距，咱们得先从它的原理公式说起。
电磁波测距的基本原理就是利用电磁波在空气中传播的速度和时间来计算距离。
简单来说，就好比你朝着远处大喊一声，然后根据声音传回来的时间来估算你和远处物体的距离。
那电磁波测距的原理公式是啥呢？常见的就是 D = c × t / 2 。
这里的 D 表示测量得到的距离，c 是电磁波在真空中的传播速度，大约是299792458 米每秒，t 则是电磁波从发射到接收所经历的时间。
举个例子吧，有一次我和朋友去爬山，我们想知道从山脚下到山顶的直线距离。
这时候，我就拿出了一个带有电磁波测距功能的仪器。
我先朝着山顶的方向发射电磁波，仪器开始精准地记录电磁波发射的时刻。
当电磁波从山顶反射回来被仪器接收到时，仪器又迅速记录下接收的时刻。
这中间的时间差，经过仪器内部的精密计算，再结合电磁波的传播速度，就能得出我们和山顶之间的距离啦。
咱们再深入点讲讲这个公式。
为啥要除以 2 呢？这是因为电磁波从发射点出发，到达目标点后再反射回来，我们测量到的时间 t 实际上是电磁波走了一个来回的时间。
所以，真正单程的距离就得除以 2 。
在实际应用中，电磁波测距可不简单。
因为电磁波在空气中传播时，会受到各种因素的影响。
比如说，大气的温度、湿度、气压等等，都会让电磁波的传播速度发生变化。
这就好像你在跑步的时候，遇到顺风和逆风，速度感觉就不一样。
为了提高测距的精度，科学家们可没少下功夫。
他们不断改进仪器，提高测量时间的精度，还研究出各种方法来修正大气条件对电磁波传播速度的影响。
想象一下，在建筑工地上，工程师们要用电磁波测距来确定建筑物之间的距离，要是误差太大，那房子可就盖歪啦！又比如说在地质勘探中，准确测量地下岩层的距离，对于寻找矿产资源可是至关重要的。
回到我们的日常生活，现在很多汽车上的自适应巡航系统，其实也用到了电磁波测距的原理。
第4章距离测量121
因ϕ
′ = 34′23′，可近似看作
MM’G为直角三角形，则 ’ 为直角三角形 为直角三角形，
l ′ = l cos α L = Kl cos α
D = L cos α = Kl cos 2 α
（2）高差的计算公式
M G N N′ h′ v B h
i A D
或
D tan α + i = h + v
L sin α + i = h + v h = L sin α + i − v = Kl sin α cos α + i − v
D = Kl = 100l
（2）高差的计算公式
h =i−v
2．视线倾斜时计算水平距离和高差的公式 ． （1）水平距离的计算公式
点转动α角 视距尺与视准轴线垂直， 假设将视距尺绕 G点转动 角，视距尺与视准轴线垂直， 点转动 由图可知，M′
视 距 尺
L = Kl ′
例：
i = 1.45; v = 1.335; M = 1.573; N = 1.100; L = 87 o53′
M +N − v = 1.5mm; 2 l = M − N = 0.473;
α = 90o − L = +2o07′
D = Kl cos 2 α = 47.2m; h = D tan α + i − v = 1.86m
一、量距的工具
4.1 钢尺量距的一般方法
标杆
测钎 零点
钢尺： 分米、厘米处注记。 钢尺：长度一般为 30m，基本分划为毫米。米、分米、厘米处注记。 ，基本分划为毫米。 注意：尺的零点位置不同， 注意：尺的零点位置不同， 的零点（端点尺）。 以尺拉环的前端作为尺 的零点（端点尺）。 以尺前端的零点刻线作为尺的零点（刻线尺）。 以尺前端的零点刻线作为尺的零点（刻线尺）。
控制测量学4电磁波测距仪及其距离测量
用的光电转换器件有光电二极管和光电倍增器。 （4）：光电混频
6
1）按时间测量方式分类： 电磁波作为载波和调制波进行距离测量（t为光波在AB之间传播的时间， v为光波在大气中的传播速度，D为AB间距离）：
D 1 vt 2
3）按载波源分类：光波（激光测距仪、红外测距仪）、微波（微波测 距仪）
4）按载波数分类：单载波（可见光、红外光、微波）、双载波（可见 光-可见光、可见光-红外光等）、三载波（可见光-可见光-微波、可见光-红 外光-微波等）
5）按反射目标分类：漫射目标（非合作目标）、合作目标（平面反射 镜、角反射镜等）、有源反射器（同频载波应答机、非同频载波应答机等）
设调制波在距离D往返一次产生的相位变化为 φ,调制信号一个周期相位
变化为2π， ω为调制波的角频率，则发射波与反射波之间的相位差为：
2ft 2 N
调制波的传播时间t为：
t2D
t 2f
2 N 2f
1 f
N本公式：
2f 2
D
1 ct 2
22
（1）：基本原理及基本公式 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来间接测定
时间，求得被测距离。 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。该信号经测线达到彼端反射器，经发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，此信号经混频器混频后成为低频基准信 号e基。e测和e基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。
距离测量—光电测距(工程测量)
光电测距
2、测距仪的精度：mD (a 106 bD)
式中：mD — 测距中误差，单位为mm； a — 固定误差，单位为mm； b — 比例误差； D — 以km为单位的距离。
RED mini短程红外测距仪的精度为
返回
0 N 1 式中
N N＝ ＝
22
，
取 C 3108 m ，则不同的调制频率ƒ对应的
测尺长见下表：
调制频率ƒ 测尺长
2
15MHZ 7.5MHZ 1.5MHZ 150 KH Z 75KH Z
10m 20m 100m 1km 2km
调制频率越大，测尺长度越短。
光电测距 相位式测距仪的基本工作原理图：
光电测距
电磁波测距仪是用电磁波（光波或微波）作为 载波传输测距信号以测量两点间距离的一种方法。
电磁波测距仪的分类： 1、光电测距仪 （可见光、红外光、激光） 2、微波测距仪 （无线电波、微波）
红外测距仪
光电测距
电磁波测距仪的优点： 1、测程远、精度高。 2、受地形限制少等优点。 3、作业快、工作强度低。
D Lcos
L——经过常数改正和气象改正后的距； α——经纬仪测定的测线竖直角。
光电测距
四、光电测距的注意事项
(1) 防止日晒雨淋，在仪器使用和运输中应注意防震。 (2) 严防阳光及强光直射物镜，以免损坏光电器件。 (3) 仪器长期不用时，应将电池取出。 (4) 测线应离开地面障碍物一定高度，避免通过发热体 和较宽水面上空，避开强电磁场干扰的地方。 (5) 镜站的后面不应有反光镜和强光源等背景干扰。 (6) 应在大气条件比较稳定和通视良好的条件下观测。
电磁波测距基本原理
电磁波测距基本原理咱今天就来说说电磁波测距的基本原理，这事儿啊，就像你想知道你和一个朋友隔了多远。
电磁波这东西，就像一个个看不见的小信使在空间里跑来跑去。
那测距咋实现的呢？这得从电磁波的速度说起。
电磁波在空气中的速度那可是相当快的，快到啥程度呢？就像闪电一样，唰的一下就出去老远。
而且这个速度是个固定的值，就像火车按照固定的时刻表行驶一样。
这个速度大约是每秒三十万公里呢。
想象一下，你站在一个地方，朝着一个目标发射电磁波。
这就好比你朝着远方的小伙伴扔出一个小皮球，这个小皮球就是电磁波。
然后呢，这个电磁波碰到目标之后就会反射回来。
这就像小皮球碰到墙会弹回来一样。
从你发射电磁波到接收到反射回来的电磁波，这中间是有个时间差的。
这个时间差可太关键了。
就像你扔出皮球的那一刻开始计时，等到皮球弹回来接到手的时候停止计时。
这个时间的长短就和你与目标的距离有关系。
如果这个时间很短，那就说明目标离你比较近，就像你轻轻一扔皮球，很快就弹回来了，那肯定是墙离你近呗。
如果这个时间比较长，那就意味着目标离你远。
就好比你用力把皮球扔得老远，过了好一会儿才弹回来。
那具体怎么根据这个时间算出距离呢？这就简单啦。
因为距离等于速度乘以时间嘛。
不过这里的时间是电磁波往返的时间，所以我们得把这个时间除以二。
比如说，你测得电磁波往返的时间是两秒钟，那单程的时间就是一秒钟。
已知电磁波速度是每秒三十万公里，那距离就是三十万公里乘以一秒，也就是三十万公里。
这就是你和目标之间的距离啦。
在实际生活中，这个原理可有用了。
比如说测量两个山头之间的距离。
以前人们可能要翻山越岭，拿个尺子一点点量，那多费劲啊。
现在呢，只要拿个能发射和接收电磁波的仪器，往对面山头一照，很快就能知道距离了。
又或者是在建筑工地上，要测量建筑物的长度、宽度啥的，电磁波测距仪一放，数据就出来了。
还有在航海的时候，船与岸边或者与其他船只之间的距离，也可以用这个方法测量。
就像船员们有了一个神奇的眼睛，能随时知道周围的距离情况，这样就可以避免碰撞之类的危险啦。
物理实验中电磁波的测量技巧与方法
物理实验中电磁波的测量技巧与方法电磁波是一种电场和磁场以波动形式传播的能量。
在物理实验中，测量电磁波的技巧和方法是非常重要的，它们帮助我们理解和探索电磁波的性质和特征。
本文将介绍一些常用的电磁波测量技巧和方法。
一、电磁波的测量仪器1. 示波器：示波器是测量电信号的重要仪器，可以观察波形的幅度、频率和相位等特征。
在测量电磁波时，可以将示波器与天线或接收器连接，通过观察示波器上的波形来了解电磁波的特性。
2. 频谱分析仪：频谱分析仪用于分析和测量信号的频谱成分。
它可以将信号进行频谱分解，并显示出信号在不同频率上的能量分布情况。
在测量电磁波时，可以利用频谱分析仪来分析电磁波的频谱特性。
3. 天线：天线是接收和发射电磁波的关键元件。
不同类型的天线适用于不同频段和波长的电磁波测量。
在实验中选择适当的天线，并正确放置和定位，可以有效地测量电磁波的强度和方向。
二、电磁波测量技巧1. 距离测量：要准确测量电磁波的传播距离，可以利用时延测量或多普勒效应。
时延测量是通过测量信号的传播时间来计算距离，而多普勒效应则是利用信号频率的变化来计算距离。
这些技巧在雷达和无线通信系统等应用中都有广泛的应用。
2. 强度测量：电磁波强度的测量可以通过接收器和功率计等仪器实现。
接收器将电磁波转化为可测量的电信号，功率计则用于测量电磁波的功率或能量。
在测量过程中，应注意选择合适的灵敏度和量程，以确保测量结果的准确性。
3. 极化测量：电磁波的极化状态是描述波动方向的重要参数。
在测量过程中，可以使用极化器和极化计来测量电磁波的极化方向和极化度。
这对于理解电磁波的传播方式和信号特性非常重要。
三、电磁波测量方法1. 直接测量法：直接测量法是通过将测量仪器直接放置在电磁波的作用区域来进行测量。
这种方法简单直接，适用于测量强度较高或频率较低的电磁波。
但是在进行测量时需要注意仪器本身对被测电磁波的干扰。
2. 反射测量法：反射测量法是通过观察电磁波在目标物体上产生的反射情况来进行测量。
第4章 距离测量
d l ld lt lh
例题：用尺长方程为
lt 30m 0.0025m 1.2510 C (t 20 C) 30m
的钢尺实测A—B尺段长度l=29.896m,A、B两点 间高差h=0.272m,测量时的温度t=25.8°C,试求 A—B尺段的水平距离。 解：1）尺长改正
4.1 钢尺量距 4.1.1 量距的准备及工具
量距的准备工作主要包括定线和量距。
1、丈量工具：
钢尺—端点尺和刻线尺
钢尺
2. 钢尺量距辅助工具
– 标杆 – 测钎 – 锤球 – 温度计 – 弹簧秤
4.1.2 直线定线
当待测量的地面两点相隔较远，或地面起伏较大 时，钢尺的一整尺段无法一次测完，此时需要在 直线方向上在地面标定若干个点，以便钢尺能沿 此直线丈量，这项工作称为直线定线。通常情况 下，可采用标杆目测定线，对若定线精度要求较 高或距离较远时，则需要采用经纬仪定线。
表4.1
测尺频率
测尺长度/m 测距精度/cm
调制频率、测尺长度和测距精度之间的关系
1.5MHz
100 10
15MHz
10 1
150kHz
1000 100
15kHz
10 000 1000
1.5kHz
100 000 10 000
一般来讲，仪器的测相精度为1/1000，由表4.1可知，测相误差对测 距精度的影响随测尺长度的增大而增大。因此，为了解决增大测程 和提高测距精度之间的矛盾，可在相位式测距仪中设置多个测尺， 用各测尺分别测距，再将所有测距结果组合起来，从而解决多值问 题。在仪器的多个测尺中，称长度最短的为精测尺，其余为粗测尺。
D nl q
l — 钢尺的尺长；
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
大气对电磁波测距的影响 速度变化，增加传播时间 电磁波传播的波道弯曲，观测距离大于实际距离 需要解决的问题 确定具体工作条件下的电磁波的实际传播速度 电磁波波道的弯曲改正
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
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控制测量学
干涉法测距的基本原理
略
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控制测量学
光波测距仪的合作目标
反射器 激光、红外、微波测距仪的合作目标 全反射棱镜：激光、红外测距仪 有源反射器：微波测距仪
全反射棱镜(反光镜) 四面体的光学玻璃，三面互相垂直 平行性：反射光线与入射光线平行
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控制测量学
本章提要
[知识点及学习要求] 1、电磁波在大气中的传播 2、测距成果的归算 3、误差来源及精度估计
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[重点] 误差来源及精度估
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控制测量学
电光调制和光电转换
省略
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控制测量学
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
平均折射率的测定问题 大气模型 双指数函数模型
N (H ) N t(H ) N f(H ) N tex H H tp ) N (fex H H p t)( f
Nt和Nf为大气的折射指数的干、湿分量 气象条件是限制电磁波测距精度的主要因素，如
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
光波的折射率 微波的折射率 温度：1℃， 1.4ppm 气压：1mb， 0.3ppm 湿度：1mb， 4.6ppm 测定微波折射率的关键是水汽分压的测定 由于微波受大气气象元素的影响较大，因此微波 测距的精度低于光波测距的精度
何克服和进一步减少其影响，时当前电磁波测距 技术的一个重要课题
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
电磁波的波道弯曲
波道的曲率半径
r n
sin dn
dH
r 1 106 dn dN dH dH
曲率半径与大气折射率的梯度有关，确定波道曲 率半径的问题可归结为确定折射率的梯度问题
每3-5min测定一次
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
大气参数的测定 大气压的测定： 使用精度高于1mb的高质量空盒气压计测量， 气压计放在阴凉处一段时间后再读数 大气湿度的测定： 测定方法有两种：湿度计和通风干湿计
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
平均折射率的测定问题
路程的平均速度
V D/ D dx dx
0 v(x)
路程上的每一个点
v(x)C0/n(v) V 1
C0
C0
D
n(v)dx
n
D0
C0 1
D
n(v)dx
n D0
目前采用的方法是在测线的一端或两端，再加测线中 间几个点测定大气气象元素，计算大气的折射率，取 平均值作为平均折射率。
f1f2=1.5 MHZ
100 m
10c m
f3=0.99 f1
f1f3=150 1km 1m KHZ
16.06f.420=200 .29:396
f1f4=15
10k
10m
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控制测量学
相位法测距的基本原理
相位法
Mekometer ME5000
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m D0 .2 m m 0 .2pp D m
波长误差为5nm时，引起的折射率误差为0.3ppm， 所以电磁波波长需要精确确定
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
光波的折射率 气象元素误差对折射率的影响大小
温度：1℃， 1ppm
气压：1mb， 0.3ppm 湿度：1mb， 0.04ppm 为保证折射率的测定精度，精确确定温度是关键 在测站两端分别测量温度，计算折射率取平均值
平台法 D0v0 D1z V1KAsin(01) D0v0dD2z V2KAsin(02)
D0v039dD40z V40KAsin(040)
1D1z
3
2
60
i1d(i1)23601(i1)
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控制测量学
光波测距仪的检验
仪器常数
仪器加常数
仪器加常数
D 0D ' K iK rD ' K
测量连续的调制信号在待测距离上往返传播产 生的相位变化间接测定传播时间
e1 emsint
e 2 e m sitn t2 D
t2D
t2D
Dv2 t 1 2c 1 2c2 f 4 cf
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控制测量学
相位法测距的基本原理
相位法
2
N2
N2 Dv2 t 1 2c 1 2c2 f 4 cf
2mm2ppm
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控制测量学
脉冲法测距的基本原理
脉冲 直接测定器发射的脉冲信号往返于被测距离的传 播时间，而得到距离值
f1 T
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控制测量学
脉冲法测距的基本原理
脉冲法的时间测定
光脉冲发生器
主脉冲
回波脉冲
计数系统
高频 电脉冲
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
光波的折射率 巴热尔-希尔斯公式
N g 0 (n g 0 1 )16 0 2.6 8 0 7 3 4 1 .6 22 5 8 0 .0 8 4136
埃德伦公式
N g 0 (n g 0 1 )16 0 2.8 57 8 3 3 1 .6 4 21 5 3 0 .0 4 414
D 4 c f2 N 2 c f N 2 2 N N
Du(NN) 测尺：多义性
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控制测量学
相位法测距的基本原理
相位法
uD N0 DuN
u增大，误差大
一组测尺： 精测尺保证精度 粗测尺保证测程
频率相差大 仪器不稳定
频率相近 频率差为测尺频率
空中悬浮颗粒会引起无法控制的的吸收
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
电磁波的传播速度 电磁波速度
c c0 n 大气折射率与大气实际介质性质的气体成分、
温度、压力、湿度及波长有关
nf(,T,P,e)
纯单色波的相折射率
群波的群折射率
n
c0 c
ng
n
dn d
第四章 电磁波测距及其距离测量
西南林业大学 土木工程学院
刁建鹏
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控制测量学
本章提要
4.1 电磁波测距的物理原理及分类 4.2 电磁波测距的基本原理和应用 4.3 光波测距仪的合作目标及检验 4.4 电磁波在大气中的传播 4.5 测距成果的归算 4.6 误差来源及精度估计 4.7 微波测距概要
控制测量学
电磁波在大气中的传播
平均折射率的测定问题 不同点处的折射率不同，为便于计算距离，应使 用整条光程上的平均速度
DVt2D/2
电磁波通过微分光程dx的时间为： d t dx/v(x)
电磁波往返传播的时间为：
t2D02Dvd(xx)20Dvd(xx)dx
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
大气参数的测定
取决于测距仪的类型、内精度、测距精度以及距 离测长短
至少测定仪器站和反光镜战的干温、湿温、气压
大气温度的测定：
通风干湿计或遥测通风干湿计，连同湿度一起 测定。干、湿温的测定精度为0.2℃和0.1℃
温度放在阴凉、通风处、离地物等 1.5m外，
电磁波在大气中传播时的现象 电磁波辐射能量的大气衰减，测程减少 电磁波有关参数的随机变化 降低了信噪比 解决方法 选择有利的观测时间 日出后1小时和日落前1小时
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
电磁波的大气衰减 大气衰减的原因 大气分子的吸收 大气密度的变化及空中微粒的散射 强度衰减与大气折射率、传播距离及波长有关 影响 电磁波的测程
通过电子路线补偿
反光镜常数
乘常数
D标D实 (1R)
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控制测量学
光波测距仪的检验
仪器常数
六段解析法
D
n1 n2 n3 nd
n
D K (d 1 K ) (d 2 K ) (d n K )(d i K )
i 1
n
D di
K
i1
n 1
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控制测量学
光波测距仪的合作目标
全反射棱镜(反光镜) 单棱镜、三棱镜、六棱镜、九棱镜
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控制测量学
光波测距仪的检验