第4章 精密距离测量
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精密距离测量

2.我国的长度基准 参见武测、同济合编《控制测量学》P173倒数第四段~P174第一段。 1960年和1961年,我国曾分别用中、苏检定的基线尺,对西安600m长度的标 准基线进行了测量和计算,结果是:
使用前苏联检尺测量——600065.86mm
使用中国检尺测量——600065.84mm 600m 基线上的差值 20μm ,反推两国 3M 工作基准尺的差异为 20μm /200 = 0.1μm 。相当于1/30000000。 可见中国与前苏联的长度基准一致。 从1953年起, 由这些基准传递到我国 24m基线尺的长度和我国大地网中的起始边长,也都属于统一的国际长度基准系 统。
又经过10年的研究与验证,终于在1983年10月20 日法国巴黎举行的第 17届国
际计量大会上,再次通过了米的新定义:“米是光在真空中,在 1/299792458秒的 时间间隔内所经过的距离” (米定义的第三次变更)。
米的新定义的特点:把真空中光速作为一个固定不变的基本物理常数,长度可
以通过时间或频率测量间接导出,从而使长度单位和时间单位结合了起来。 总的说,国际米原器,氪86谱线波长,根据稳频激光器建立的新长度,都是最 高长度基准。凡是按它们复制,逐级传递得到的长度,都属于国际长度统一系统。
二、因瓦基线尺及其量距与计算
(阅读) 练习及作业: 1. 阅读武测、同济合编《控制测量学》 §4-1 、 §4-2
§2 电磁波测距的基本原理和方法
一、电磁波测距的基本原理
电磁波测距,是通过测定电磁波在所测距离上往返传播时间t2D,按下式计 算待测距离的
D 1 ct2 D 2
式中 c——光在空气中的传播速度
§3 相位式测距仪
一、相位式测距的基本公式
将调制波往、返路程摊平如下:
第四讲_精密距离测量

读数显微镜 弦线
接插件
因瓦杆 图 3-6
分划尺
第4章精密距离测量
11
四、因瓦测长仪(DISTINVAR) 该仪器的主体是因瓦钢丝,但读数测微方法与一般因瓦 线尺不同,它的两端是专用接插件,一端与安在标志上的插口 联接,另一端与专用测微装臵的插口联接。测微装臵安臵在另 一标志上( 图3-7 )。张力由一个平衡重通过杠杆传递给因瓦 钢丝,杠杆可以绕支点旋转,支点可以前后移动。刃口形支点 的摩擦力很小。
第4章精密距离测量
六、多载波测距
15
一般工程用的测距仪都只有一个光源(即单载波)。 由测距公式D=ct/2n来分析,影响测距精度的是c、t、n的测 定精度。而激光技术的发展使真空中光速值 c=299792458±1.2m/s, 则相对精度为 dc/c≈1×10 -9; 若用相位法测距,因调制频率和测相精度都相当高,因而 可使 dt/t<1×10 -8, 故c和t的测距精度完全可使测距相对误差: dD/D <1×10 -7。
第4章精密距离测量
c t D1 D 2n1 n1 c t D2 D 2n2 n2
18
把上式改写一下,则
D1 n1D, D2 n2 D D1 D2 D(n1 n2 )
根据群折射率的公式
p 5.5 108 e n1 1 1 t 760 1 t (ng 2 1) p 5.5 108 e n2 1 1 t 760 1 t (ng1 1)
16
第4章精密距离测量
因此,要提高测距精度的主要关键是大气折射率,即气 象因素的精确测定。实际工作中,一般只能在测线两端测得 气温、气压、湿度等气象元(不具有代表性)。若气温测定 误差为±1‴,气压误差±3mmHg,这会使得测距相对误差
接插件
因瓦杆 图 3-6
分划尺
第4章精密距离测量
11
四、因瓦测长仪(DISTINVAR) 该仪器的主体是因瓦钢丝,但读数测微方法与一般因瓦 线尺不同,它的两端是专用接插件,一端与安在标志上的插口 联接,另一端与专用测微装臵的插口联接。测微装臵安臵在另 一标志上( 图3-7 )。张力由一个平衡重通过杠杆传递给因瓦 钢丝,杠杆可以绕支点旋转,支点可以前后移动。刃口形支点 的摩擦力很小。
第4章精密距离测量
六、多载波测距
15
一般工程用的测距仪都只有一个光源(即单载波)。 由测距公式D=ct/2n来分析,影响测距精度的是c、t、n的测 定精度。而激光技术的发展使真空中光速值 c=299792458±1.2m/s, 则相对精度为 dc/c≈1×10 -9; 若用相位法测距,因调制频率和测相精度都相当高,因而 可使 dt/t<1×10 -8, 故c和t的测距精度完全可使测距相对误差: dD/D <1×10 -7。
第4章精密距离测量
c t D1 D 2n1 n1 c t D2 D 2n2 n2
18
把上式改写一下,则
D1 n1D, D2 n2 D D1 D2 D(n1 n2 )
根据群折射率的公式
p 5.5 108 e n1 1 1 t 760 1 t (ng 2 1) p 5.5 108 e n2 1 1 t 760 1 t (ng1 1)
16
第4章精密距离测量
因此,要提高测距精度的主要关键是大气折射率,即气 象因素的精确测定。实际工作中,一般只能在测线两端测得 气温、气压、湿度等气象元(不具有代表性)。若气温测定 误差为±1‴,气压误差±3mmHg,这会使得测距相对误差
精密距离测量

❖按载波:光电测距仪;微波测距仪
❖在电磁波测距仪中,利用光波运载测距 信号进行距离测量,称为光电测距仪, 按照使用光源的不同,分为:普通光源、 激光、红外测距仪
❖ 三、相距位离式测测量距原方理式及其原理
1.测距基本原理
现有的精密光电测距仪都不采用直接测时的方 法,而采用间接测时,即用测定相位的方法来 测定距离,此类仪器称为相位式测距仪。它是 用一种连续波(精密光波测距仪采用光波)作 为“运输工具”(称为载波),通过一个调制 器使载波的振幅或频率按照调制波的变化做周 期性变化。测距时,通过测量调制波在待测距 离上往返传播所产生的相位变化,间接地确定 传播时间t,进而求得待测距离D
本章重点
❖中程相位式测距仪的基本结构和测 距原理
❖测距仪的检验以及测距成果的整理 计算
❖电子全站仪的认识与使用
❖ 一、距长离度测基准量方式及其原理
所有距离的测定结果,必须用一种统一 的、固定的长度单位来表示,这种统一 的、固定的长度单位就是长度基准
1.国际长度基准
❖1875年:通过巴黎的地球子午线的四千 万分之一的长度为1m,其相对精度为千 万分之一左右
2.我国的长度基准
❖目前,氪-86长度基准和氦氖激光长度基准是 我国两项最高长度基准,它们的极限误差分别 为±1×10-8和±4×10-9
❖ 二、距距离离测量测的量方方式 式及其原理
1.因瓦基线尺量距
❖丈量基线是在较为平坦的地面上,用因瓦基 线尺一尺接一尺地悬空丈量两点的基线长度。 丈量时,尺的两端应施加一定的拉力,丈量 的结果中加上相应的尺长改正、温度改正、 悬链线改正等改正之后,能够达到几十万分 之一到一百万分之一的相对精度
❖间接测定t求得距离的方式称为相位式测距, 其优点是测距精度高,缺点是测程不如脉冲式 测距远
❖在电磁波测距仪中,利用光波运载测距 信号进行距离测量,称为光电测距仪, 按照使用光源的不同,分为:普通光源、 激光、红外测距仪
❖ 三、相距位离式测测量距原方理式及其原理
1.测距基本原理
现有的精密光电测距仪都不采用直接测时的方 法,而采用间接测时,即用测定相位的方法来 测定距离,此类仪器称为相位式测距仪。它是 用一种连续波(精密光波测距仪采用光波)作 为“运输工具”(称为载波),通过一个调制 器使载波的振幅或频率按照调制波的变化做周 期性变化。测距时,通过测量调制波在待测距 离上往返传播所产生的相位变化,间接地确定 传播时间t,进而求得待测距离D
本章重点
❖中程相位式测距仪的基本结构和测 距原理
❖测距仪的检验以及测距成果的整理 计算
❖电子全站仪的认识与使用
❖ 一、距长离度测基准量方式及其原理
所有距离的测定结果,必须用一种统一 的、固定的长度单位来表示,这种统一 的、固定的长度单位就是长度基准
1.国际长度基准
❖1875年:通过巴黎的地球子午线的四千 万分之一的长度为1m,其相对精度为千 万分之一左右
2.我国的长度基准
❖目前,氪-86长度基准和氦氖激光长度基准是 我国两项最高长度基准,它们的极限误差分别 为±1×10-8和±4×10-9
❖ 二、距距离离测量测的量方方式 式及其原理
1.因瓦基线尺量距
❖丈量基线是在较为平坦的地面上,用因瓦基 线尺一尺接一尺地悬空丈量两点的基线长度。 丈量时,尺的两端应施加一定的拉力,丈量 的结果中加上相应的尺长改正、温度改正、 悬链线改正等改正之后,能够达到几十万分 之一到一百万分之一的相对精度
❖间接测定t求得距离的方式称为相位式测距, 其优点是测距精度高,缺点是测程不如脉冲式 测距远
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
工程测量第四章--__距离测量与直线定向

第四章 距离测量与直线定向
§4.1 直线定向
§4.2 钢尺量距
§4.3 视距测量
§4.4 光电测距仪
§4.5 全站仪简介
§4-1直线定向
一、直线定向的概念: 测定直线与标准方向间的水平角度的工作称为。 二、标准方向的种类
2
标准方向有三种 真子午线方向(真北 ) 磁子午线方向(磁北 ) 坐标纵轴方向(坐标北)
4
247°20´
3
解:
1 = 46°+180°-125°10´ = 100°50´ = 100°50´+180°+136°30´
α23 =α12+180°-β2 α34 =α23+180°+β3
(417°20´-360°) = 417°20´ >360° = 57°20´ = 57°20´+180°-247°20´ α45=α34+180°-β4 = -10° <0° (- 10°+360°) = 350°
d f l p
f d l p
f D d f l f p
*
*
f D l f p f 令 K , c f 则有
p
D Kl c
式中 K——视距乘常数,通常K=100;
c ——视距加常数,常数c值接近零 。 故水平距离为
D Kl 100l
乙 甲
(2)经纬仪法定线 在A安臵经纬仪,对中、整平,十字丝竖丝瞄准另一 点B,固定照准部,然后望远镜往下打,指挥另一人在 视线上用测钎定点。 此法可用于一般量距和精密钢尺量距。
二、距离丈量 一般量距方法
一般量距方法 适用条件:当量距精度要求为1/2000~1/3000时采用。 定线方法:目测法或经纬仪法。 w当地面平坦时,可将钢尺拉平,直接量测水平距离; w对于倾斜地面,一般采用 “平量法” ; w当地面两点之间坡度均匀时也可采用“斜量法”. 1、平坦地面的距离丈量 丈量:在地面平坦量距,可将钢尺拉平、拉直、用力 均匀,并整尺段地丈量,要进行往返丈量。
§4.1 直线定向
§4.2 钢尺量距
§4.3 视距测量
§4.4 光电测距仪
§4.5 全站仪简介
§4-1直线定向
一、直线定向的概念: 测定直线与标准方向间的水平角度的工作称为。 二、标准方向的种类
2
标准方向有三种 真子午线方向(真北 ) 磁子午线方向(磁北 ) 坐标纵轴方向(坐标北)
4
247°20´
3
解:
1 = 46°+180°-125°10´ = 100°50´ = 100°50´+180°+136°30´
α23 =α12+180°-β2 α34 =α23+180°+β3
(417°20´-360°) = 417°20´ >360° = 57°20´ = 57°20´+180°-247°20´ α45=α34+180°-β4 = -10° <0° (- 10°+360°) = 350°
d f l p
f d l p
f D d f l f p
*
*
f D l f p f 令 K , c f 则有
p
D Kl c
式中 K——视距乘常数,通常K=100;
c ——视距加常数,常数c值接近零 。 故水平距离为
D Kl 100l
乙 甲
(2)经纬仪法定线 在A安臵经纬仪,对中、整平,十字丝竖丝瞄准另一 点B,固定照准部,然后望远镜往下打,指挥另一人在 视线上用测钎定点。 此法可用于一般量距和精密钢尺量距。
二、距离丈量 一般量距方法
一般量距方法 适用条件:当量距精度要求为1/2000~1/3000时采用。 定线方法:目测法或经纬仪法。 w当地面平坦时,可将钢尺拉平,直接量测水平距离; w对于倾斜地面,一般采用 “平量法” ; w当地面两点之间坡度均匀时也可采用“斜量法”. 1、平坦地面的距离丈量 丈量:在地面平坦量距,可将钢尺拉平、拉直、用力 均匀,并整尺段地丈量,要进行往返丈量。
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
4距离测量

l ld l l0
2)温度改正
l — 全长改正数 l 0 — 名义长度
l
— 任一尺段
α — 钢尺膨胀系数
lt (t t0 )l
t — 丈量时温度
t0 — 标准温度
3)倾斜改正
当l为斜距时应换算成平距d,则倾斜改正值为:
l h d l
1 (l 2 h 2 ) 2
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。
工程测量中应用较多的是短程红外 光电测距仪。
2、电磁波测距仪分类
1) 按其所采用的载波(光源)可分为:
①微波测距仪(microwave EDM instrument); ②激光测距仪(laser EDM instrument); ③红外测距仪(infrared EDM instrument);
5、定线误差
6、丈量误差
1、距离丈量的三个基本要求是:“直、平、准”。 2、丈量时尺身要置水平,尺要拉紧 3、钢尺在拉出和收卷时,要避免钢尺打卷 4、尺子用过后,要用软布擦干净后上油。
二、普通视距测量
普通视距测量的精 度一般为1/200~1/300, 但由于操作简便,不受 地形起伏限制,可同时 测定距离和高差,被广 泛用于测距精度要求不 高的地形测量中。
◆ 1960年世界上成功研制出了第一台红宝石激光器和第一 台氦-氖激光器,1962年砷化镓半导体激光器研制成功。与 白炽灯比较,激光的优点是发散角小、穿透力强、传输的距 离远、不受太阳光干扰、基本上可以全天侯作业。
◆1967年AGA公司推出了世界上第一台商品化的激光测距仪 AGA-8。该仪器采用5mw的氦-氖激光器作发光元件,白天测 程为40km,夜间测程达60km,测距精度(5mm+1ppm),主机 重量23kg。 ◆我国的武汉地震大队也于1969年研制成功了JCY-1型激光 测距仪,1974年又研制并生产了JCY-2型激光测距仪。该仪 器采用2.5mw的氦-氖激光器作发光元件,白天测程为20km, 测距精度(5mm+1ppm),主机重量16.3kg。
四章距离测量

邪区量专虽诀罕屿戈央跟懈垃庞泌渤耸篷仰午滨狼帛听行顾敛仇搅慕纤铅四章距离测量四章距离测量
一测回——相对误差
多测回——相对中误差
毙歌盼舜颖会噎财君耕锥绑蟹天誉菌对瘪弦件锹席罢堪翅响肩秒每纸熙剪四章距离测量四章距离测量
§4-2 视距测量
根据几何光学原理用简便的操作方法测出两点之间的水平距离和高差 测距精度约为1/300
辛木创蕊实拒硫腋以坛刚汕卜就疲光宾洁抱搀躇氮筐节裸恋番斯太பைடு நூலகம்循狠四章距离测量四章距离测量
二)、倾斜地面: (1).平量法:前尺手将尺子抬平,垂球投点,插测钎。 (2).斜量法:量斜距、测高差或倾角。 D=L*cos 三)、精度评定——相对误差 K = |D往- D返| / D平均=1 / M D平均 =(D往+ D返)/2
A
B
L
D
A
B
油筛路孟腿偷测斌凶河驯耙峭则密烁郭狡繁慷衍游愤价亨眨傻湾陋漱稼蔼四章距离测量四章距离测量
臀赚捷誊罚檀灰谨都琼梯取粉乍钠缘呻豌瞬卉纸奄挠流五眩俺开引斟誊措四章距离测量四章距离测量
四、改正计算 1.尺长改正 2.温度改正 3.高差改正
聪俏羡果胞哑孝棉盯茧企飞枯砚乖绽伐芒蛀淡皿唉峻获眉漆季垢集钞嫌掏四章距离测量四章距离测量
长度计算 d=l+ ld+ lt+ lh 精度评定 尺长方程式: lt=l0+l+l(t-t0)
精度评定算例
30米钢尺量距,往返各量了2个整尺段,往返测余长分别为18.352米和18.334米,求距离及精度.
D往=2*30+18.353=78.352米
D返=2*30+18.334=78.334米
D0=(D往+D返)/2=78.343米
一测回——相对误差
多测回——相对中误差
毙歌盼舜颖会噎财君耕锥绑蟹天誉菌对瘪弦件锹席罢堪翅响肩秒每纸熙剪四章距离测量四章距离测量
§4-2 视距测量
根据几何光学原理用简便的操作方法测出两点之间的水平距离和高差 测距精度约为1/300
辛木创蕊实拒硫腋以坛刚汕卜就疲光宾洁抱搀躇氮筐节裸恋番斯太பைடு நூலகம்循狠四章距离测量四章距离测量
二)、倾斜地面: (1).平量法:前尺手将尺子抬平,垂球投点,插测钎。 (2).斜量法:量斜距、测高差或倾角。 D=L*cos 三)、精度评定——相对误差 K = |D往- D返| / D平均=1 / M D平均 =(D往+ D返)/2
A
B
L
D
A
B
油筛路孟腿偷测斌凶河驯耙峭则密烁郭狡繁慷衍游愤价亨眨傻湾陋漱稼蔼四章距离测量四章距离测量
臀赚捷誊罚檀灰谨都琼梯取粉乍钠缘呻豌瞬卉纸奄挠流五眩俺开引斟誊措四章距离测量四章距离测量
四、改正计算 1.尺长改正 2.温度改正 3.高差改正
聪俏羡果胞哑孝棉盯茧企飞枯砚乖绽伐芒蛀淡皿唉峻获眉漆季垢集钞嫌掏四章距离测量四章距离测量
长度计算 d=l+ ld+ lt+ lh 精度评定 尺长方程式: lt=l0+l+l(t-t0)
精度评定算例
30米钢尺量距,往返各量了2个整尺段,往返测余长分别为18.352米和18.334米,求距离及精度.
D往=2*30+18.353=78.352米
D返=2*30+18.334=78.334米
D0=(D往+D返)/2=78.343米
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相移: t; 则 : 2 D t2D 有 :t 2 D D
1 c ct2 D c 2D 2 2 2πf 4πf c 微分得: dD d 2 D 4πf 2 f dD 也即: d 2 D 360 c 式中 ——调制讯号的角频率
f——调制波的频率 c——光速(3×108m/s)
差频测相,即把原测距频率fi与一对应频率(fi-fC)混频,得到合成频率为中频 或低频fC (如fC=1.545KHz)。 由于频率降低了许多倍, 周期即2p 时间扩大了许
多倍, 大大提高了相位测量的分辨率。 同时各测尺混频后, 得到的均是同一频
率fC,使鉴相电路简化。 因此,无论集中的间接测尺频率方式测相(远程),还是分散的直接测尺频
三、差频测相
1.差频测相的必要性 为了保证测距精度,精测频率选的很高(一般10MHz数量级),对这样高的
频率进行测相,技术上很困难。另,对几种测尺频率(如JCY-2的五把测尺)直
接测相, 必须设置几种测相电路, 电路很复杂。 故相位法测距仪都是采用差频 测相以解决上述问题。
由物理学知,不同频率的两波合成,合成波的频率为原来的两波频率之差。
相位测距的基本公式
D=u (N+⊿N) 根据上式可知,欲测定D,需测定N 及⊿N,而相位计只能测定⊿(即只能
测定⊿N),无法测定N。此即N 的多值性。N 的多值性使上式产生多值解。
N值的确定: ①分散的直接测尺频率方式 ②集中的间接测尺频率方式
二、测尺频率的选择
①若使u>D,则N=0,D=u⊿N=u(⊿ /2p ),从而解决了N的多值性(D的 多值解)。 但仪器的测相(测⊿)误差一般可达10-3,由测相误差引起的测距误差 很大(例:u=1km 测距误差1.0m )。 ②为解决长测尺与高精度这一矛盾,定频式测距仪通常选用一组测尺:短(精) 测尺保证精度,长(粗)测尺保证测程。
§1 长度基准和因瓦基线尺
一、长度基准
所有长度,都必须用一种统一的、固定的长度单位来表示。这种统一的、 固定的长度单位就是长度基准。 1.国际长度基准 ①米的最初定义 具有国际统一性的长度单位是1800年着手准备的。1875年国际米制公约建 立,规定:“通过巴黎的地球子午线的四千万分之一的长度为一米”(米的最 初定义)。并用白金制成标尺,称一米“白金原器”。1886年复制了三十一支 铂铱合金杆尺,称“法尺”(参见武测、同济合编《控制测量学》 P172图4-1)
例:选用两把测尺 精测尺 粗测尺 u1=10m u2=1000m u1 u2
量测结果 3.68 574 573.68
1.分散的直接测尺频率方式
即测尺频率fi直接和测尺长度ui对应,如: f1=c/λ1=15MHz u1=λ1/2=10m
f2=c/λ2=150KHz
u2=λ2/2=1000m
由上可知,直接测尺频率方式,频率f1和f2分散程度很大, 而且测程越长, 分散越悬殊(如测程若由10m~100km时, 高低频相差达104倍)。 这样放大器、
优点:可发出高功率光脉冲(一般采用固体激光器)。可不用反光镜,作业
缺点:受脉冲宽度及电子时钟分辨率影响,精度不高(±1~5m)。
2.相位式测距仪 光强 光源发出的光波 调制器 调制波 时间t
调制波 数据处理 比相计
发射系统
发射波(调制波) 反光镜 反射波
接收系统
相位式测距仪的优点是精度高,对其精度,可概略讨论如下: 已知:
2.我国的长度基准 参见武测、同济合编《控制测量学》P173倒数第四段~P174第一段。 1960年和1961年,我国曾分别用中、苏检定的基线尺,对西安600m长度的标 准基线进行了测量和计算,结果是:
使用前苏联检尺测量——600065.86mm
使用中国检尺测量——600065.84mm 600m 基线上的差值 20μm ,反推两国 3M 工作基准尺的差异为 20μm /200 = 0.1μm 。相当于1/30000000。 可见中国与前苏联的长度基准一致。 从1953年起, 由这些基准传递到我国 24m基线尺的长度和我国大地网中的起始边长,也都属于统一的国际长度基准系 统。
。
②米定义的第一次变更——实物基准
法尺中,第六号法尺长度恰好与白金原器长度相同。 1889年米制公约国际 计量大会上通过决定,以第六号法尺两条刻线间的距离作为一米的定义值(米 定义的第一次变更)。其精度为0.2×10-7。这根法尺定为“国际法尺”,又称“ 国际米原器”,安放在巴黎国际计量局的地下室内。各国分得的三十根法尺依 国际法尺来检定,这样全世界的长度都统一起来了。这一长度基准称“实物基 准”。 实物基准有许多缺点:
又经过10年的研究与验证,终于在1983年10月20 日法国巴黎举行的第 17届国
际计量大会上,再次通过了米的新定义:“米是光在真空中,在 1/299792458秒的 时间间隔内所经过的距离” (米定义的第三次变更)。
米的新定义的特点:把真空中光速作为一个固定不变的基本物理常数,长度可
以通过时间或频率测量间接导出,从而使长度单位和时间单位结合了起来。 总的说,国际米原器,氪86谱线波长,根据稳频激光器建立的新长度,都是最 高长度基准。凡是按它们复制,逐级传递得到的长度,都属于国际长度统一系统。
2D 2D 2πf 1 2D
练习及作业: 阅读 4.3.2;4.4.1 思考 1.电磁波测距的基本原理
2.电磁波测距的基本方法
3.脉冲式、相位式测距的原理 4.脉冲式、相位式测距的优缺点
若调制频率f=15MHz=15×106Hz,要求测距精度dD≤1cm 则 d2D=(2×15×106×0.01)/(3×108)×360°=0.36° 欲使测相精度达到0.36°是不困难的,故高精度测距仪多采用相位法测距。
2.集中的间接测尺频率方式
即利用一组相接近的频率间接地获得长度相差悬殊的一组测尺。 若有两把尺子量同一距离 f1→u1 D=u1(N1+⊿N1) 有:D/u1=N1+⊿N1 f2→u2 D=u2(N2+⊿N2) 有:D/u2=N2+⊿N2
u1 u2 ) [( N 1 N 2 ) (N 1 N 2 )] uS ( N N ) u2 u1 c u1 u2 c c (u ) 式中 uS 2 2f u2 u1 2( f1 f 2 ) 2 f S D(
二、因瓦基线尺及其量距与计算
(阅读) 练习及作业: 1. 阅读武测、同济合编《控制测量学》 §4-1 、 §4-2
§2 电磁波测距的基本原理和方法
一、电磁波测距的基本原理
电磁波测距,是通过测定电磁波在所测距离上往返传播时间t2D,按下式计 算待测距离的
D 1 ct2 D 2
式中 c——光在空气中的传播速度
用性能更为优越的氪86的橙黄谱线,将米定义为:“米的长度等于氪86(Kr86)
原子在2P10到5D5能级间跃迁,真空辐射波长的1650763.73倍” (米定义的第二 次变更)。其精度为1×10-8,经过改进可达4×10-9。
④米定义的第三次变更 随着科学的进步,1967年秒的定义由地球自转一周所用时间的 1/86400改为“ 秒是铯133原子基态的两个超精密能级间跃迁辐射的 9192631770个周期的持续时间” 。实现这个定义的装置为原子钟,其精度为百万亿分之一,即五百万年不差一秒。 同时,激光诞生。通过特殊方法对激光输出频率进行稳频,使其稳定性和复现 性优于百亿分之一,1969年成功测量了甲烷稳频3.39mm氦氖激光器输出频率及波长 的绝对值,得到真空光速值为299792458m/s。
混频后:参考信号:er=(r-R)t+r-R
测距信号:em=(r-R)t+r-R-2rtD (发射、接收相位差:2rtD) 可知,混频后的相位差与主振信号,经过距离2D后产生的相位延迟相等。
本振 Rt+R
主振 rt+r 接收 rt+r-2rtD
D
反光镜 rt+ rrtD
er em er em tp
——er与em两个信号的相位差 c——测相信号的角频率
1)精度不适应现代科技发展的要求;
2)若意外损毁,难于复制; 3)由于物质内部结构随时间变化引起两条刻线间距离变化,从而无法保证 国际米原器所规定的精度。
③米定义的第二次变更——自然基准 为了把最高长度基准长期保存下来,1907年国际计量大会决议,暂定镉红 谱线在15℃,760mmHg时的波长的1553164.13倍为一米。这是第一代的“自然 基准”。也称“光原尺”。 1960 年国际计量大会正式决定废除以实物基准来定义“米”的规定,而采
率方式测相(中短程),都采用差频测相。
差频前后频率示意
fi 2.差频测相的实现
fC
在仪器内设置本机(地)振荡器,对应每一测尺频率fi,有一相应的本振频率 fi- fC,混频后频率为fC,再送入测相电路。 混频前:发射相位:rt+r 接收相位:rt+r-2rtD (发射、接收相位差:2rtD)
D
由上图知
1 c ct2 D u 2 2 f 2π 2π
2 π f c
2
=N2p+⊿ =2p(N+⊿N)
N
2π
将 代入D式,得相位测距的基本公式 D=u(N+⊿N) 式中 u=λ/2——电子尺(波长尺),也称测尺长度 ——调制波的波长 N——调制波往返的整周期数 ⊿N——调制波往返不足整周期数的尾数
发射波 反射波
A
B
D
二、测距的基本方法
电磁波测距仪,按测定电磁波往返时间t2D的方式不同,分为脉冲式和相位式 两种。 1.脉冲式测距仪 原理如图: 主波:计时起点(打开电子门) 发射系统 主波 接收系统 回波 合 作 目 标 运 算
回波:计时终点(关闭电子门) 1 1 D ct2 D cnT nl 时钟振荡器 电子门 2 2 式中 T——时标脉冲的时间间隔 1 l cT ——单位距离,仪器设计时已确定,如1m,5m等。 2 效率高,测程远。